Analytic Model of Beb Algorithm With Multiple Priorities in Mobile Information Systems

In this paper we propose analytic model for computing the delay of the slotted ALOHA protocol with Binary Exponential Backoff (BEB) with multiple priorities as a collision resolution algorithm in mobile information systems. If a packet which tries to reserve a channel collides times, it chooses one of the next 2n frames with equal probabilities and attempts the reservation again. We derive the expected access delay until an arbitrary packet reserves a channel in any cell. Then the expected transmission delays for packets of calls with multiple priorities are calculated analytically. Proposed analytic model is checked against simulation

Enhanced Collision Resolution for the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function

The IEEE 802.11 standard relies on the Distributed Coordination Function (DCF) as the fundamental medium access control method. DCF uses the Binary Exponential Backoff (BEB) algorithm to regulate channel access. The backoff period determined by BEB depends on a contention window (CW) whose size is doubled if a station suffers a collision and reset to its minimum value after a successful transmission. BEB doubles the CW size upon collision to reduce the collision probability in retransmission. However, this CW increase reduces channel access time because stations will spend more time sensing the channel rather than accessing it. Although resetting the CW to its minimum value increases channel access, it negatively affects fairness because it favours successfully transmitting stations over stations suffering from collisions. Moreover, resetting CW leads to increasing the collision probability and therefore increases the number of collisions. % Quality control editor: Please ensure that the intended meaning has been maintained in the edits of the previous sentence. Since increasing channel access time and reducing the probability of collisions are important factors to improve the DCF performance, and they conflict with each other, improving one will have an adverse effect on the other and consequently will harm the DCF performance. We propose an algorithm, \gls{ECRA}, that solves collisions once they occur without instantly increasing the CW size. Our algorithm reduces the collision probability without affecting channel access time. We also propose an accurate analytical model that allows comparing the theoretical saturation and maximum throughputs of our algorithm with those of benchmark algorithms. Our model uses a collision probability that is dependent on the station transmission history and thus provides a precise estimation of the probability that a station transmits in a random timeslot, which results in a more accurate throughput analysis. We present extensive simulations for fixed and mobile scenarios. The results show that on average, our algorithm outperformed BEB in terms of throughput and fairness. Compared to other benchmark algorithms, our algorithm improved, on average, throughput and delay performance

Design and Evaluation of Efficient Medium Access Control Solutions for Vehicular Environments

[EN] In recent years, advances in wireless technologies and improved sensing and computational capabilities have led to a gradual transition towards Intelligent Transportation Systems (ITS) and related applications. These applications aim at improving road safety, provide smart navigation, and eco-friendly driving. Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) provide a communication structure for ITS by equipping cars with advanced sensors and communication devices that enable a direct exchange of information between vehicles. Different types of ITS applications rely on two types of messages: periodic beacons and event-driven messages. Beacons include information such as geographical location, speed, and acceleration, and they are only disseminated to a close neighborhood. Differently from beacons, event-driven messages are only generated when a critical event of general interest occurs, and it is spread within a specific target area for the duration of the event. The reliability of information exchange is one of the main issues for vehicularcommunications since the safety of people on the road is directly related to the effectiveness of these transmissions. A Medium Access Control (MAC) protocol must guarantee reliable beacon broadcasting within deadline bounds to all vehicles in the neighbourhood, thereby providing them timely notifications about unsafe driving conditions or other hazardous events. Moreover, infotainment and comfort applications require reliable unicast transmissions that must be taken into account. However, high node mobility, highly dynamic topology, and lack of a central control unit, are issues that make the design of a reliable MAC protocol for vehicular environments a very difficult and challenging task, especially when efficient broadcasting strategies are required. The IEEE 802.11p MAC protocol, an approved amendment to the IEEE 802.11 standard, is a random access protocol that is unable to provide guaranteed delay bounds with sufficient reliability in vehicular scenarios, especially under high channel usage. This problem is particularly serious when implementing (semi-) automated driving applications such as platooning, where inter-vehicle spacing is drastically reduced, and the control loop that manages and maintains the platoon requires frequent, timely and reliable exchange of status information (beacons). In this thesis novel protocols compatible with the IEEE 802.11 and 802.11p standards are proposed in order to optimally adjust the contention window size for unicast applications in Mobile Ad hoc Networks (MANETs) and VANETs. Experimental tests comparing our proposals to existing solutions show that the former are able to improve the packet delivery ratio and the average end-to-end delay for unicast applications. Concerning efficient message diffusion (broadcast) in VANET environments, we proposed token-based MAC solutions to improve the performance achieved by existing 802.11p driving safety applications in different vehicular environments, including highway, urban, and platooning scenarios. Experimental results show that the proposed solutions clearly outperform 802.11p when delay-bounded beacons and event notifications must be delivered.[ES] Recientemente, los avances en las tecnologías inalámbricas y las mejoras en términos de capacidades de sensorización y computación de los dispositivos electrónicos, han dado lugar a una transición gradual hacia servicios y aplicaciones de los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS). Estas aplicaciones tienen como objetivo mejorar la seguridad vial, proporcionar una navegación inteligente, y promover la conducción eco-eficiente. Las redes vehiculares ad hoc (VANETs) proporcionan una infraestructura de comunicaciones para ITS al equipar los coches con sensores avanzados y dispositivos de comunicación que permiten el intercambio directo de información entre vehículos. Los diferentes tipos de aplicaciones ITS se basan en dos tipos de mensajes: mensajes periódicos conocidos como beacons y mensajes asociados a eventos. Los mensajes periódicos incluyen información relativa a la ubicación geográfica, la velocidad y la aceleración, entre otros, y sólo son distribuidos entre los vehículos vecinos. A diferencia de estos beacons, los mensajes asociados a eventos sólo se generan cuando se produce un evento crítico de interés general, el cual se propaga dentro del área de interés de dicho evento y mientras éste siga activo. La fiabilidad del intercambio de información es uno de los principales problemas para las comunicaciones vehiculares, debido principalmente a que las aplicaciones de seguridad dependen directamente de la eficacia de estas transmisiones. Un protocolo de Control de Acceso al Medio (MAC) debe garantizar la difusión fiable de información a todos los vehículos vecinos dentro de unos límites máximos de retardo, proporcionándoles las notificaciones oportunas respecto a condiciones de conducción inseguras y otros eventos peligrosos. Por otra parte, las aplicaciones de información y entretenimiento, así como las aplicaciones orientadas al confort, también requieren transmisiones fiables extremoa-extremo. Sin embargo, la alta movilidad de los vehículos, la variabilidad de la topología, así como la falta de una unidad central de control, son factores que hacen que el diseño de un protocolo MAC fiable para entornos vehiculares sea una tarea especialmente compleja, especialmente cuando son necesarias estrategias de difusión eficientes. El protocolo MAC IEEE 802.11p, una modificación ya aprobada al estándar IEEE 802.11 original para entornos de comunicación vehiculares, es un protocolo de acceso que no es capaz de garantizar unos límites de retardo con la fiabilidad necesaria para estos entornos, especialmente en escenarios de alta utilización del canal inalámbrico. Este problema es particularmente importante a la hora de implementar aplicaciones de conducción (semi-)automática, como el caso de grupos de vehículos donde la separación entre vehículos se reduce drásticamente, y el sistema de control que gestiona y mantiene el grupo requiere de un intercambio frecuente de información fiable y acotado en retardo. En esta tesis se proponen nuevos protocolos MAC compatibles con los estándares IEEE 802.11 y 802.11p basados en el ajuste del tamaño de la ventana de contención para aplicaciones unicast en rede MANETs y VANETs. Los resultados experimentales obtenidos comparando nuestras propuestas con las soluciones existentes muestran que los protocolos propuestos son capaces de mejorar la tasa de entrega de paquetes y el retardo medio extremo-a-extremo para aplicaciones unicast. En lo que respecta a la difusión eficiente de mensajes broadcast en entornos VANET, se han propuesto soluciones MAC basadas en el uso de tokens que mejoran las prestaciones de aplicaciones de conducción segura basadas en el estándar 802.11p, tanto en autopistas, zonas urbanas, y escenarios con grupos de vehículos. Los resultados experimentales muestran que las soluciones propuestas superan claramente al protocolo 802.11p cuando es necesario entregar mensajes y notificaciones de eventos con restricc[CA] Recentment, els avan en les tecnologies sense fils i les millores en termes de capacitats de sensorització i computació dels dispositius electrònics, han donat lloc a una transició gradual cap a serveis i aplicacions dels sistemes intelligents de transport (ITS). Aquestes aplicacions tenen com a objectiu millorar la seguretat vial, proporcionar una navegació intelligent, i promoure la conducció ecoeficient. Les xarxes vehiculars ad hoc (VANET) proporcionen una infraestructura de comunicacions per a ITS, ja que equipen els cotxes amb sensors avançats i dispositius de comunicació que permeten l'intercanvi directe d'informació entre vehicles. Els diversos tipus d'aplicacions ITS es basen en dos classes de missatges: missatges periòdics coneguts com a beacons i missatges associats a esdeveniments. Els missatges periòdics inclouen informació relativa a la ubicació geogràfica, la velocitat i l'acceleració, entre uns altres, i només són distribuïts entre els vehicles veïns. A diferència d'aquests beacons, els missatges associats a esdeveniments només es generen quan es produeix un esdeveniment crític d'interès general, el qual es propaga dins de l àrea d'interès d'aquest esdeveniment i mentre aquest seguisca actiu. La fiabilitat de l'intercanvi d'informació és un dels principals problemes per a les comunicacions vehicular, principalment perquè les aplicacions de seguretat depenen directament de l'eficàcia d'aquestes transmissions. Un protocol de control d'accés al medi (MAC) ha de garantir la difusió fiable d'informació a tots els vehicles veïns dins d'uns límits màxims de retard, i proporcionar-los les notificacions oportunes respecte a condicions de conducció insegures i altres esdeveniments perillosos. D'altra banda, les aplicacions d'informació i entreteniment, com també les aplicacions orientades al confort, també requereixen transmissions fiables extrema-extrem. No obstant això, l'alta mobilitat dels vehicles, la variabilitat de la topologia, i la falta d'una unitat central de control, són factors que fan que el disseny d'un protocol MAC fiable per a entorns vehiculars siga una tasca especialment complexa, especialment quan són necessàries estratègies de difusió eficients. El protocol MAC IEEE 802.11p, una modificació ja aprovada a l'estàndard IEEE 802.11 original per a entorns de comunicació vehiculars, és un protocol d'accés que no és capa garantir uns límits de retard amb la fiabilitat necessària per a aquests entorns, especialment en escenaris d'alta utilització del canal sense fil. Aquest problema és particularment important a l'hora d'implementar aplicacions de conducció (semi)automàtica, com el cas de grups de vehicles en què la separació entre vehicles es redueix dràsticament, i el sistema de control que gestiona i manté el grup requereix un intercanvi freqüent d'informació fiable i delimitat en retard. En aquesta tesi es proposen nous protocols MAC compatibles amb els estàndards IEEE 802.11 i 802.11p basats en l'ajust de les dimensions de la finestra de contenció per a aplicacions unicast en xarxes MANET i VANET. Els resultats experimentals obtinguts comparant les nostres propostes amb les solucions existents mostren que els protocols proposats són capa de millorar la taxa de lliurament de paquets i el retard mitjà extrem-a-extrem per a aplicacions unicast. Pel que fa a la difusió eficient de missatges broadcast en entorns VANET, s'han proposat solucions MAC basades en l'ús de tokens que milloren les prestacions d'aplicacions de conducció segura basades en l'estàndard 802.11p, tant en autopistes, zones urbanes, i escenaris amb grups de vehicles. Els resultats experimentals mostren que les solucions proposades superen clarament el protocol 802.11p quan cal lliurar missatges i notificacions d'esdeveniments amb restriccions de latència.Balador, A. (2016). Design and Evaluation of Efficient Medium Access Control Solutions for Vehicular Environments [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64073TESI

Quality of Service Provisioning with modified IEEE 802.11 MAC Protocol

There has been a phenomenal increase in the demand of quality-of-service (QoS) in wireless networks over the years due to rapid growth in the number of wireless and mobile devices. Such devices are in use to access Internet and QoS aware applications such as video conferencing, voice-over IP, interactive video-on-demand and many other multimedia applications. wireless local area networks (WLANs) confirming to the IEEE 802.11 standard have become extremely popular at an unprecedented rate. As a result, WLAN networks are gaining the momentum and making their way into residential, commercial, industrial and public areas. These trends are more and more accelerated in places like airports, hotels and coffee shop, this typically has many floating end users. The time stringent applications are delay sensitive that require throughput and delay bound creates an urgent need for QoS support in WLANs

Mac-Phy Cross-Layer analysis and design of Mimo-Ofdm Wlans based on fast link adaptation

The latestWLAN standard, known as IEEE 802.11n, has notably increased the network capacity with respect to its predecessors thanks to the incorporation of the multipleinput multiple-output (MIMO) technology. Nonetheless, the new amendment, as its previous ones, does not specify how crucial configuration mechanisms, most notably the adaptive modulation and coding (AMC) algorithm should be implemented. The AMC process has proved essential to fully exploit the system resources in light of varying channel conditions. In this dissertation, a closed-loop AMC technique, referred to as fast link adaption (FLA) algorithm, that effectively selects themodulation and coding scheme (MCS) for multicarriermultiantennaWLAN networks is proposed. The FLA algorithm determines the MCS that maximizes the throughput while satisfying a quality of service (QoS) constraint, usually defined in the form of an objective packet error rate (PER). To this end, FLA uses a packet/bit error rate prediction methodology based on the exponential effective SNRmetric (EESM). The FLA algorithm performance has been evaluated under IEEE 802.11n systems that thanks to the incorporation of a feedbackmechanismare able to implement closed- loop AMC mechanisms. Initially, this AMC technique relies only on physical layer information but it is subsequently extended to also take into account themediumaccess control (MAC) sublayer performance. At the physical layer, the FLA algorithm has demonstrated its effectivity by performing very close to optimality in terms of throughput, while satisfying a prescribed PER constraint. The FLA algorithm has also been evaluated using imperfect channel information. It has been observed that the proposed FLA technique is rather robust against imperfect channel information, and only in highly-frequency selective channels, imperfect channel knowledge causes a noticeable degradation in throughput. At the MAC sublayer, the FLA algorithm has been complemented with a timeout strategy that weighs down the influence of the available channel information as this becomes outdated. This channel information outdate is caused by the MAC sublayer whose user multiplexing policy potentially results in large delays between acquiring the instant in which the channel state information is acquired and that in which the channel is accessed. Results demonstrate the superiority of FLA when compared to open-loop algorithms under saturated and non-saturated conditions and irrespective of the packet length, number of users, protocol (CSMA/CA or CDMA/E2CA) and access scheme (Basic Access or RTS/CTS). Additionally, several analytical models have been developed to estimate the system performance at the MAC sublayer. These models account for all operational details of the IEEE 802.11n MAC sublayer, such as finite number of retries, anomalous slot or channel errors. In particular, a semi-analytical model that assesses the MAC layer throughput under saturated conditions, considering the AMC performance is first introduced. Then, an analytical model that allows the evaluation of the QoS performance under non-saturated conditions is presented. This model focuses on single MCS and it is able to accurately predict very important system performance metrics such as blocking probability, delay, probability of discard or goodput thanks to the consideration of the finite queues on each station. Finally, the previous non-saturated analytical approach is used to define a semi-analytical model in order to estimate the system performance when considering AMC algorithms (i.e. whenmultiple MCSs are available)La darrera versió de l’estàndard deWLAN, anomenada IEEE 802.11n, ha augmentat la seva capacitat notablement en relació als sistemes anteriors gràcies a la incorporació de la tecnologia de múltiples antenes en transmissió i recepció (MIMO). No obstant això, la nova proposta, al igual que les anteriors, segueix sense especificar com s’han d’implementar elsmecanismes de configuraciómés crucials, un dels quals és l’algoritme de codificació imodulació adaptativa (AMC). Aquests algoritmes ja han demostrat la seva importància a l’hora demaximitzar el rendiment del sistema tenint en compte les condicions canviants del canal. En aquesta tesis s’ha proposat un algoritme AMC de llaç tancat, anomenat adaptació ràpida de l’enllaç (FLA), que selecciona eficientment l’esquema demodulació i codificació adaptativa per xarxes WLAN basades en arquitectures multiportadora multiantena. L’algoritme FLA determina el mode de transmissió capaç de maximitzar el throughput per les condicions de canal actuals, mentre satisfà un requisit de qualitat de servei en forma de taxa d’error per paquet (PER). FLA utilitza una metodologia de predicció de PER basada en l’estimació de la relació senyal renou (SNR) efectiva exponencial (EESM). El rendiment de l’algoritme FLA ha estat avaluat en sistemes IEEE 802.11n, ja que aquests, gràcies a la incorporació d’unmecanisme de realimentació demodes de transmissió, poden adoptar solucions AMC de llaç tancat. En una primera part, l’estudi s’ha centrat a la capa física i després s’ha estès a la subcapa MAC. A la capa física s’ha demostrat l’efectivitat de l’algoritme FLA aconseguint un rendiment molt proper al que ens proporcionaria un esquema AMC òptim en termes de throughput, alhora que es satisfan els requisits de PER objectiu. L’algoritme FLA també ha estat avaluat utilitzant informació imperfecte del canal. S’ha vist que l’algoritme FLA proposat és robust en front dels efectes d’estimació imperfecte del canal, i només en canals altament selectius en freqüència, la informació imperfecte del canal provoca una davallada en el rendiment en termes de throughput. A la subcapa MAC, l’algoritme FLA ha estat complementat amb una estratègia de temps d’espera que disminueix la dependència amb la informació de canal disponible a mesura que aquesta va quedant desfassada respecte de l’estat actual. Aquesta informació de canal desfassada és conseqüència de la subcapa MAC que degut a la multiplexació d’usuaris introdueix grans retards entre que es determina el mode de transmissió més adequat i la seva utilització per a l’accés al canal. Els resultats obtinguts han demostrat la superioritat de FLA respecte d’altres algoritmes de llaç obert en condicions de saturació i de no saturació, i independentment de la longitud de paquet, nombre d’usuaris, protocol (CSMA/CA i CSMA/E2CA) i esquema d’accés (Basic Access i RTS/CTS). Amés, s’han desenvolupat diversosmodels analítics per tal d’estimar el rendiment del sistema a la subcapa MAC. Aquests models consideren tots els detalls de funcionament de la subcapaMAC del 802.11n, comper exemple un nombre finit de retransmissions de cada paquet, l’slot anòmal o els errors introduïts pel canal. Inicialment s’ha proposat unmodel semi-analític que determina el throughtput en condicions de saturació, considerant el rendiment dels algoritmes AMC. Després s’ha presentat un model analític que estima el rendiment del sistema per condicions de no saturació, mitjançat elmodelat de cues finites a cada estació. Aquestmodel consideramodes de transmissió fixes i és capaç de determinar de manera molt precisa mètriques de rendimentmolt importants comsón la probabilitat de bloqueig de cada estació, el retard mitjà del paquets, la probabilitat de descart o la mesura del goodput. Finalment, el model analític de no saturació s’ha utilitzat per definir un model semi-analític per tal d’estimar el rendiment del sistema quan es considera l’ús d’algoritmes AMC

Technologies to improve the performance of wireless sensor networks in high-traffic applications

The expansion of wireless sensor networks to advanced areas, including structure health monitoring, multimedia surveillance, and health care monitoring applications, has resulted in new and complex problems. Traditional sensor systems are designed and optimised for extremely low traffic loads. However, it has been witnessed that network performance drops rapidly with the higher traffic loads common in advanced applications. In this thesis, we examine the system characteristics and new system requirements of these advanced sensor network applications. Based on this analysis, we propose an improved architecture for wireless sensor systems to increase the network performance while maintaining compatibility with the essential WSN requirements: low power, low cost, and distributed scalability. We propose a modified architecture deriving from the IEEE 802.15.4 standard, which is shown to significantly increase the network performance in applications generating increased data loads. This is achieved by introducing the possibility of independently allocating the sub-carriers in a distributed manner. As a result, the overall efficiency of the channel contention mechanism will be increased to deliver higher throughput with lower energy consumption. Additionally, we develop the concept of increasing the data transmission efficiency by adapting the spreading code length to the wireless environment. Such a modification will not only be able to deliver higher throughput but also maintain a reliable wireless link in the harsh RF environment. Finally, we propose the use of the battery recovery effect to increase the power efficiency of the system under heavy traffic load conditions. These three innovations minimise the contention window period while maximising the capacity of the available channel, which is shown to increase network performance in terms of energy efficiency, throughput and latency. The proposed system is shown to be backwards compatible and able to satisfy both traditional and advanced applications and is particularly suitable for deployment in harsh RF environments. Experiments and analytic techniques have been described and developed to produce performance metrics for all the proposed techniques

Real-Time Sensor Networks and Systems for the Industrial IoT

The Industrial Internet of Things (Industrial IoT—IIoT) has emerged as the core construct behind the various cyber-physical systems constituting a principal dimension of the fourth Industrial Revolution. While initially born as the concept behind specific industrial applications of generic IoT technologies, for the optimization of operational efficiency in automation and control, it quickly enabled the achievement of the total convergence of Operational (OT) and Information Technologies (IT). The IIoT has now surpassed the traditional borders of automation and control functions in the process and manufacturing industry, shifting towards a wider domain of functions and industries, embraced under the dominant global initiatives and architectural frameworks of Industry 4.0 (or Industrie 4.0) in Germany, Industrial Internet in the US, Society 5.0 in Japan, and Made-in-China 2025 in China. As real-time embedded systems are quickly achieving ubiquity in everyday life and in industrial environments, and many processes already depend on real-time cyber-physical systems and embedded sensors, the integration of IoT with cognitive computing and real-time data exchange is essential for real-time analytics and realization of digital twins in smart environments and services under the various frameworks’ provisions. In this context, real-time sensor networks and systems for the Industrial IoT encompass multiple technologies and raise significant design, optimization, integration and exploitation challenges. The ten articles in this Special Issue describe advances in real-time sensor networks and systems that are significant enablers of the Industrial IoT paradigm. In the relevant landscape, the domain of wireless networking technologies is centrally positioned, as expected