Analysis of MAC Strategies for Underwater Acoustic Networks

En esta tesis presentamos los protocolos MAC diseñados para redes acústicas subacuáticas, clasificándolos en amplias categorías, proporcionando técnicas de medición de rendimiento y análisis comparativo para seleccionar el mejor algoritmo MAC para aplicaciones específicas. Floor Acquisition Multiple Access (FAMA) es un protocolo MAC que se propuso para redes acústicas submarinas como medio para resolver los problemas de terminales ocultos y expuestos. Una versión modificada, Slotted FAMA, tenía como objetivo proporcionar ahorros de energía mediante el uso de ranuras de tiempo, eliminando así la necesidad de paquetes de control excesivamente largos en FAMA. Sin embargo, se ha observado que, debido al alto retraso de propagación en estas redes, el coste de perder un ACK es muy alto y tiene un impacto significativo en el rendimiento. Los mecanismos MultiACK y EarlyACK han sido analizados para el protocolo MACA, para mejorar su eficiencia. El mecanismo MultiACK aumenta la probabilidad de recibir al menos un paquete ACK al responder con un tren de paquetes ACK, mientras que el mecanismo EarlyACK evita la repetición de todo el ciclo de contención y transmisión de datos RTS / CTS enviando un ACK temprano. En esta investigación se presenta un análisis matemático de las dos variantes, los mecanismos MultiACK y EarlyACK, en Slotted FAMA. La investigación incluye las expresiones analíticas modificadas así como los resultados numéricos. Las simulaciones se llevaron a cabo utilizando ns-3. Los resultados han sido probados y validados utilizando Excel y MATLAB. La evaluación del rendimiento de S-FAMA con dos variantes mostró un factor de mejora del 65,05% en la probabilidad de recibir un ACK correctamente utilizando el mecanismo MultiACK y del 60,58% en la prevención de la repetición del ciclo completo, con EarlyACK. El impacto de este factor de mejora en el retardo, el tamaño del paquete de datos y el rendimiento también se analiza. La energía de transmisión desperdiciada y consumida en los mecanismos MultiACK y EarlyACK se analizan y comparan con S-FAMA. El rendimiento se ha evaluado, alcanzando una mejora en ambos casos, en comparación con S-FAMA. Estos mecanismos tendrán una utilidad práctica en caso de pérdida de ACK, al ahorrar energía y tiempo en períodos críticos. Fecha de lectura de Tesis Doctoral: 28 septiembre 2018.Esta tesis presenta una investigación sobre los protocolos MAC utilizados en la comunicación subacuática para explorar el mundo submarino. Los protocolos MAC ayudan en el acceso al medio compartido y la recopilación de datos de los océanos, para monitorizar el clima y la contaminación, la prevención de catástrofes, la navegación asistida, la vigilancia estratégica y la exploración de los recursos minerales. Esta investigación beneficiará a sectores como las industrias militares, de petróleo y gas, pesquerías, compañías de instrumentación subacuática, organismos de investigación, etc. El protocolo MAC afecta la vida útil de las redes inalámbricas de sensores. La eficiencia energética de las redes acústicas submarinas se ve gravemente afectada por las propiedades típicas de la propagación de las ondas acústicas. Los largos retrasos de propagación y las colisiones de paquetes de datos dificultan la transmisión de los paquetes de datos, que contienen información útil para que los usuarios realicen tareas de supervisión colectivas. El objetivo de este estudio es proponer nuevos mecanismos para protocolos MAC diseñados para funcionar en redes acústicas submarinas, con el propósito de mejorar su rendimiento. Para alcanzar ese objetivo es necesario realizar un análisis comparativo de los protocolos existentes. Lo que además sienta un procedimiento metodológicamente correcto para realizar esa comparación. Como la comunicación subacuática depende de ondas acústicas, en el diseño de los protocolos de MAC submarinos surgen varios desafíos como latencia prolongada, ancho de banda limitado, largas demoras en la propagación, grandes tasas de error de bit, pérdidas momentáneas en las conexiones, severo efecto multicamino y desvanecimientos. Los protocolos MAC terrestres, si se implementan directamente, funcionarán de manera ineficiente

Design, Analysis, and Performance Evaluation for Handshaking Based MAC Protocols in Underwater Acoustic Networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

The study of TCP performance in IEEE 802.11 based mobile ad hoc networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks

Heterogeneous Wireless Networks: An Analysis of Network and Service Level Diversity

Future wireless systems will be a collection of symbiotic and hierarchical networks that address different aspects of communication needs. This architectural heterogeneity constitutes a network level diversity, where wireless domains can benefit from each other's spare resources in terms of bandwidth and energy. The dissertation investigates the network diversity through particularly interesting scenarios that involve capacity-limited multi-hop ad hoc networks and high-bandwidth wired or wireless infrastructures. Heterogeneity and infrastructures not only exist at the level of networking technologies and architectures, but also at the level of available services in each network domain. Efficient discovery of services across the domains and allocation of service points to individual users are beneficial for facilitating the actual communication, supplying survivable services, and better utilizing the network resources. These concepts together define the service level diversity, which is the second topic studied in our dissertation. In this dissertation, we first focus on a large-scale hybrid network, where a relatively resource abundant infrastructure network overlays a multi-hop wireless network. Using a random geometric random graph model and defining appropriate connectivity constraints, we derive the overall transport capacity of this hybrid network. In the sequel, we dwell upon hybrid networks with arbitrary size and topology. We develop a Quality of Service (QoS) based framework to utilize the joint resources of the ad hoc and infrastructure tier with minimal power exposure on other symbiotic networks that operate over the same radio frequency bands. The framework requires a cross-layer approach to adequately satisfy the system objectives and individual user demands. Since the problem is proven to be intractable, we explore sub-optimal but efficient algorithms to solve it by relying on derived performance bounds. In the last part of the dissertation, we shift our attention from network level diversity to service level diversity. After investigating possible resource discovery mechanisms in conjunction with their applicability to multi-hop wireless environments, we present our own solution, namely Distributed Service Discovery Protocol (DSDP). DSDP enables a highly scalable, survivable, and fast resource discovery under a very dynamic network topology. It also provides the necessary architectural and signaling mechanisms to effectively implement resource allocation techniques

A Cognitive Routing Framework for Reliable Communication in IoT for Industry 5.0

Industry 5.0 requires intelligent self-organized, self- managed and self-monitoring applications with ability to analyze and predict both the human as well as machine behaviors across interconnected devices. Tackling dynamic network behavior is a unique challenge for IoT applications in industry 5.0. Knowledge- Defined Networks (KDN) bridges this gap by extending SDN architecture with Knowledge Plane (KP) which learns the net- work dynamics to avoid sub-optimal decisions. Cognitive Routing leverages the Sixth-Generation (6G) Self-Organised-Networks with self-learning feature. This paper presents a self-organized cognitive routing frame- work for a KDN which uses link-reliability as a routing metric. It reduces end-to-end latency by choosing the most-reliable path with minimal probability of route-flapping. The proposed framework pre-calculates all possible paths between every pair of nodes and ensures self-healing with a constant-time convergence. An experimental test-bed has been developed to benchmark the proposed framework against the industry stranded Link- state and distance-vector routing algorithms SPF and DUAL respectively

Channel parameter tuning in a hybrid Wi-Fi-Dynamic Spectrum Access Wireless Mesh Network

This work addresses Channel Assignment in a multi-radio multi-channel (MRMC) Wireless Mesh Network (WMN) using both Wi-Fi and Dynamic Spectrum Access (DSA) spectrum bands and standards. This scenario poses new challenges because nodes are spread out geographically so may have differing allowed channels and experience different levels of external interference in different channels. A solution must meet two conflicting requirements simultaneously: 1) avoid or minimise interference within the network and from external interference sources, and 2) maintain connectivity within the network. These two requirements must be met while staying within the link constraints and the radio interface constraints, such as only assigning as many channels to a node as it has radios. This work's original contribution to the field is a unified framework for channel optimisation and assignment in a WMN that uses both DSA and traditional Wi-Fi channels for interconnectivity. This contribution is realised by providing and analysing the performance of near-optimal Channel Assignment (CA) solutions using metaheuristic algorithms for the MRMC WMNs using DSA bands. We have created a simulation framework for evaluating the algorithms. The performance of Simulated Annealing, Genetic Algorithm, Differential Evolution, and Particle Swarm Optimisation algorithms have been analysed and compared for the CA optimisation problem. We introduce a novel algorithm, used alongside the metaheuristic optimisation algorithms, to generate feasible candidate CA solutions. Unlike previous studies, this sensing and CA work takes into account the requirement to use a Geolocation Spectrum Database (GLSD) to get the allowed channels, in addition to using spectrum sensing to identify and estimate the cumulative severity of both internal and external interference sources. External interference may be caused by other secondary users (SUs) in the vicinity or by primary transmitters of the DSA band whose emissions leak into adjacent channels, next-toadjacent, or even into further channels. We use signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) as the optimisation objective. This incorporates any possible source or type of interference and makes our method agnostic to the protocol or technology of the interfering devices while ensuring that the received signal level is high enough for connectivity to be maintained on as many links as possible. To support our assertion that SINR is a reasonable criterion on which to base the optimisation, we have carried out extensive outdoor measurements in both line-of-sight and wooded conditions in the television white space (TVWS) DSA band and the 5 GHz Wi-Fi band. These measurements show that SINR is useful as a performance measure, especially when the interference experienced on a link is high. Our statistical analysis shows that SINR effectively differentiates the performance of different channels and that SINR is well correlated with throughput and is thus a good predictor of end-user experience, despite varying conditions. We also identify and analyse the idle times created by Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) contention-based Medium Access Control (MAC) operations and propose the use of these idle times for spectrum sensing to measure the SINR on possible channels. This means we can perform spectrum sensing with zero spectrum sensing delay experienced by the end user. Unlike previous work, this spectrum sensing is transparent and can be performed without causing any disruption to the normal data transmission of the network. We conduct Markov chain analysis to find the expected length of time of a sensing window. We also derive an efficient minimum variance unbiased estimator of the interference plus noise and show how the SINR can be found using this estimate. Our estimation is more granular, accurate, and appropriate to the problem of Secondary User (SU)-SU coexistence than the binary hypothesis testing methods that are most common in the literature. Furthermore, we construct confidence intervals based on the probability density function derived for the observations. This leads to finding and showing the relationships between the number of sampling windows and sampling time, the interference power, and the achievable confidence interval width. While our results coincide with (and thus are confirmed by) some key previous recommendations, ours are more precise, granular, and accurate and allow for application to a wider range of operating conditions. Finally, we present alterations to the IEEE 802.11k protocol to enable the reporting of spectrum sensing results to the fusion or gateway node and algorithms for distributing the Channel Assignment once computed. We analyse the convergence rate of the proposed procedures and find that high network availability can be maintained despite the temporary loss of connectivity caused by the channel switching procedure. This dissertation consolidates the different activities required to improve the channel parameter settings of a multi-radio multi-channel DSA-WMN. The work facilitates the extension of Internet connectivity to the unconnected or unreliably connected in rural or peri-urban areas in a more cost-effective way, enabling more meaningful and affordable access technologies. It also empowers smaller players to construct better community networks for sharing local content. This technology can have knock-on effects of improved socio-economic conditions for the communities that use it

Analysis, evaluation and improvement of RT-WMP for real-time and QoS wireless communication: Applications in confined environments

En los ultimos años, la innovación tecnológica, la característica de flexibilidad y el rápido despligue de las redes inalámbricas, han favorecido la difusión de la redes móviles ad-hoc (MANETs), capaces de ofrecer servicios para tareas específicas entre nodos móviles. Los aspectos relacionados al dinamismo de la topología móvil y el acceso a un medio compartido por naturaleza hacen que sea preciso enfrentarse a clases de problemas distintos de los relacionados con la redes cableadas, atrayendo de este modo el interés de la comunidad científica. Las redes ad-hoc suelen soportar tráfico con garantía de servicio mínimo y la mayor parte de las propuestas presentes en literatura tratan de dar garantías de ancho de banda o minimizar el retardo de los mensajes. Sin embargo hay situaciones en las que estas garantías no son suficientes. Este es el caso de los sistemas que requieren garantías mas fuertes en la entrega de los mensajes, como es el caso de los sistemas de tiempo real donde la pérdida o el retraso de un sólo mensaje puede provocar problemas graves. Otras aplicaciones como la videoconferencia, cada vez más extendidas, implican un tráfico de datos con requisitos diferentes, como la calidad de servicio (QoS). Los requisitos de tiempo real y de QoS añaden nuevos retos al ya exigente servicio de comunicación inalámbrica entre estaciones móviles de una MANET. Además, hay aplicaciones en las que hay que tener en cuenta algo más que el simple encaminamiento de los mensajes. Este es el caso de aplicaciones en entornos subterráneos, donde el conocimiento de la evolución de propagación de la señal entre los diferentes nodos puede ser útil para mejorar la calidad de servicio y mantener la conectividad en cada momento. A pesar de ésto, dentro del amplio abanicos de propuestas presente en la literatura, existen un conjunto de limitaciones que van de el mero uso de protocolos simulados a propuestas que no tienen en cuenta entornos no convencionales o que resultan aisladas desde el punto de vista de la integración en sistemas complejos. En esta tesis doctoral, se propone un estudio completo sobre un plataforma inalámbrica de tiempo real, utilizando el protocolo RT-WMP capaz de gestionar trafíco multimedia al mismo tiempo y adaptado al entorno de trabajo. Se propone una extensión para el soporte a los datos con calidad de servicio sin limitar las caractaristícas temporales del protocolo básico. Y con el fin de tener en cuenta el efecto de la propagación de la señal, se caracteriza el entorno por medio de un conjunto de restricciones de conectividad. La solución ha sido desarrollada y su validez ha sido demostrada extensamente en aplicaciones reales en entornos subterráneos, en redes malladas y aplicaciones robóticas