Application-aware scheduling for VoIP in Wireless Mesh Networks

Wireless Mesh Networks (WMNs) are seen as a means to provide last mile connections in Next Generation Networks (NGNs). Because of their auto configuration capabilities and the low deployment cost WMNs are considered to be an efficient solution for the support of multiple voice, video and data services in NGNs. This paper looks at the optimal provision of resources in WMNs for Voice over IP (VoIP) traffic, which has strict performance requirements in terms of delay, jitter and packet loss. In WMNs, because of the challenges introduced by wireless multi hop transmissions and limited resources, providing performance quality for VoIP comparable to the voice quality in the traditional circuit switched networks is a major challenge. This paper analyses different scheduling mechanisms for TDMA based access control in mesh networks as specified in the IEEE 802.16 2004 WiMAX standard. The performance of the VoIP applications when different scheduling mechanisms are deployed is analysed on a variety of topologies using ns 2 simulation and mathematical analysis. The paper concludes that on demand scheduling of VoIP traffic typically deployed in 802.11 based WMNs is not able to provide the required VoIP quality in realistic mesh WiMAX network scenarios and is therefore not optimal from a network operator’s point of view. Instead, it is shown, that continuous scheduling is much better suited to serve VoIP traffic. The paper then proposes a new VoIP aware resource coordination scheme and shows, through simulation, that the new scheme is scalable and provides good quality for VoIP service in a wide range of network scenarios. The results shown in the paper prove that the new scheme is resilient to increasing hop count, increasing number of simultaneous VoIP sessions and the background traffic load in the network. Compared to other resource coordination schemes the VoIP aware scheduler significantly increases the number of supported calls

Le support de VoIP dans les réseaux maillés sans fil WiMAX en utilisant une approche de contrôle et d'assistance au niveau MAC

Les réseaux maillés sans fil (RMSF), grâce à leurs caractéristiques avantageuses, sont considérés comme une solution efficace pour le support des services de voix, vidéo et de données dans les réseaux de prochaine génération. Le standard IEEE 802.16-d a spécifié pour les RMSF, à travers son mode maillé, deux mécanismes de planifications de transmission de données; à savoir la planification centralisée et la planification distribuée. Dans ce travail, on a évalué le support de la qualité de service (QdS) du standard en se focalisant sur la planification distribuée. Les problèmes du système dans le support du trafic de voix ont été identifiés. Pour résoudre ces problèmes, on a proposé un protocole pour le support de VoIP (AVSP) en tant qu’extension au standard original pour permettre le support de QdS au VoIP. Nos résultats préliminaires de simulation montrent qu’AVSP offre une bonne amélioration au support de VoIP.Wireless mesh networks (WMNs), because of their advantageous characteristics, are considered as an effective solution to support voice services, video and data in next generation networks. The IEEE 802.16-d specified for WMNs, through its mesh mode, two mechanisms of scheduling data transmissions; namely centralized scheduling and distributed scheduling. In this work, we evaluated the support of the quality of service (QoS) of the standard by focusing on distributed scheduling. System problems in the support of voice traffic have been identified. To solve these problems, we proposed a protocol for supporting VoIP, called Assisted VoIP Scheduling Protocol (AVSP), as an extension to the original standard to support high QoS to VoIP. Our preliminary simulation results show that AVSP provides a good improvement to support VoIP

A VOICE PRIORITY QUEUE (VPQ) SCHEDULER FOR VOIP OVER WLANs

The Voice over Internet Protocol (VoIP) application has observed the fastest growth in the world of telecommunication. The Wireless Local Area Network (WLAN) is the most assuring of technologies among the wireless networks, which has facilitated high-rate voice services at low cost and good flexibility. In a voice conversation, each client works as a sender and as a receiver depending on the direction of traffic flow over the network. A VoIP application requires a higher throughput, less packet loss and a higher fairness index over the network. The packets of VoIP streaming may experience drops because of the competition among the different kinds of traffic flow over the network. A VoIP application is also sensitive to delay and requires the voice packets to arrive on time from the sender to the receiver side without any delay over WLANs. The scheduling system model for VoIP traffic is still an unresolved problem. A new traffic scheduler is necessary to offer higher throughput and a higher fairness index for a VoIP application. The objectives of this thesis are to propose a new scheduler and algorithms that support the VoIP application and to evaluate, validate and verify the newly proposed scheduler and algorithms with the existing scheduling algorithms over WLANs through simulation and experimental environment. We proposed a new Voice Priority Queue (VPQ) scheduling system model and algorithms to solve scheduling issues. VPQ system model is implemented in three stages. The first stage of the model is to ensure efficiency by producing a higher throughput and fairness for VoIP packets. The second stage will be designed for bursty Virtual-VoIP Flow (Virtual-VF) while the third stage is a Switch Movement (SM) technique. Furthermore, we compared the VPQ scheduler with other well known schedulers and algorithms. We observed in our simulation and experimental environment that the VPQ provides better results for the VoIP over WLANs

Gestion adaptative des ressources dans les réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques.In the last few years, Wireless Mesh Networks (WMNs) area brought a new field of advanced research among network specialized scientists. This is due to the many advantages which WMN technology offers, such as: easy and inexpensive installation, reliable connectivity and flexible interoperability with other existing networks (Wi-Fi, WiMax, Cellular, Sensors, WPAN networks, etc.). However, several problems still remain to be solved such as the scalability, the security, the quality of service (QoS), the resources management, etc. These problems persist for WMNs, therefore the researchers propose to improve the existing protocols or to conceive new protocols for WMNs. In order to solve some of the current limitations met in the wireless networks and to improve QoS of real time multimedia applications in such networks, our research will be divided primarily into three parts: traffic admission control, traffic differentiation and handoff-aware channel assignment schemes. In the first part, we propose a distributed admission control scheme for WMNs, namely, Routing on Cliques (a clique is defined as a subset of logical links that interfere with each other) Admission Control (RCAC). Particularly, we propose an analytical model to compute the appropriate acceptance ratio and guarantee that the packet loss probability in the network does not exceed a threshold value. The model also allows computing end-to-end delay to process flow requests with delay constraints. In the second part, we design an efficient scheduler for Mesh Deterministic Access (MDA) in IEEE 802.11s-based WMNs, called Enhanced Differentiated-MDA (ED-MDA) to support voice and video applications with strict requirements on delay and on blocking/dropping probability. ED-MDA together with Enhanced Admission Control, namely EAC, reserves the minimum amount of necessary resources while maintaining an acceptable handoff call dropping and high resource utilization. The final section addresses handoff-aware channel assignment (CA) problem in Multiple Radios WMNs (MR-WMNs). In this section, we first propose a multi-objective optimization model that, besides maximizing throughput, improves fairness and handoff experience of mesh clients. In this model, the Jain’s index is used to maximize users’ fairness and to allow same channel assignments to links involved in the same high handoff traffic, thus reducing handoff-triggered re-routing characterized by its high latency. Second, we solved this model to obtain exact solutions by the CPLEX software for a limited number of nodes. We therefore propose to use centralized heuristics/meta-heuristics algorithms as an offline CA process to obtain near-optimal solutions for larger instances (real size network). Moreover, in order to adapt to traffic dynamics caused especially by user handoffs, an online CA scheme is proposed that carefully re-assigns channels to interfaces with the purpose of continuously minimizing the re-routing overhead/latency during user handoffs. This online scheme is improved using load balancing