Efficient real-time video delivery in vehicular networks

Tesis por compendio[EN] Vehicular Ad-hoc Networks (VANET) are a special type of networks where the nodes involved in the communication are vehicles. VANETs are created when several vehicles connect among themselves without the use of any infrastructure. In certain situations the absence of infrastructure is an advantage, but it also creates several challenges that should be overcome. One of the main problems related with the absence of infrastructure is the lack of a coordinator that can ensure a certain level of quality in order to enable the correct transmission of video and audio. Video transmission can be extremely useful in this type of networks as it can be used for videoconferencing of by traffic authorities to monitor the scene of an accident. In this thesis we focused on real time video transmission, providing solutions for both unicast and multicast environments. Specifically, we built a real-world testbed scenario and made a comparison with simulation results to validate the behavior of the simulation models. Using that testbed we implemented and improved DACME, an admission control module able to provide Quality of Service (QoS) to unicast video transmissions. DACME proved to be a valid solution to obtain a certain level of QoS in multi-hop environments. Concerning multicast video transmission, we developed and simulated several flooding schemes, focusing specifically on VANET environments. In this scope, the main contribution of this thesis is the Automatic Copies Distance Based (ACDB) flooding scheme. Thanks to the use of the perceived vehicular density, ACDB is a zeroconf scheme able to achieve good video quality in both urban and highway environments, being specially effective in highway environments.[ES] Las redes vehiculares ad-hoc (VANET) son un tipo especial de redes en las que los nodos que participan de la comunicación son vehículos. Las VANETs se crean cuando diversos vehículos se conectan entre ellos sin el uso de ninguna infraestructura. En determinadas situaciones, la ausencia de infraestructura es una ventaja, pero también crea una gran cantidad de desafíos que se deben superar. Uno de los principales problemas relacionados con la ausencia de infraestructura, es la ausencia de un coordinador que pueda asegurar un determinado nivel de calidad, para poder asegurar la correcta transmisión de audio y vídeo. La transmisión de vídeo puede ser de extrema utilidad en este tipo de redes ya que puede ser empleada para videoconferencias o por las autoridades de tráfico para monitorizar el estado de un accidente. En esta tesis nos centramos en la transmisión de vídeo en tiempo real, proveyendo soluciones tanto para entornos unicast como multicast. En particular construimos un banco de pruebas real y comparamos los resultados obtenidos con resultados obtenidos en un entorno simulado para comprobar la fiabilidad de estos modelos. Usando el mismo banco de pruebas, implementamos y mejoramos DACME, un módulo de control de admisión capaz de proveer de calidad de servicio a transmisiones de vídeo unicast. DACME probó ser una solución válida para obtener ciertos niveles de calidad de servicio en entornos multisalto. En lo referente a la transmisión de vídeo multicast, desarrollamos y simulamos diversos esquemas de difusión diseñados específicamente para entornos VANET. En este campo, la principal contribución de esta tesis es el esquema de difusión "Automatic Copies Distance Based" (ACDB). Gracias al uso de la densidad vehicular percibida, ACDB es un esquema, que sin necesidad de configuración, permite alcanzar una buena calidad de vídeo tanto en entornos urbanos como en autopistas, siendo especialmente efectivo en este último entorno.[CA] Les xarxes vehiculars ad-hoc (VANET) son un tipus de xarxes especials a les que els diferents nodes que formen part d'una comunicació son vehicles. Les VANETs es formen quan diversos vehicles es connecten sense fer ús de cap infraestructura. A certes situacions l'absència d'una infraestructura suposa un avantatge, encara que també genera una gran quantitat de desafiaments que s'han de superar. U dels principals problemes relacionats amb l'absència d'infraestructura, és la manca d'un coordinador que puga garantir una correcta transmissió tant de video com d'àudio. La transmissió de video pot ser d'extrema utilitat a aquest tipus de xarxes, ja que es por emprar tant per a videoconferències com per part de les autoritats de trànsit per monitoritzar l'estat d'un accident. A aquesta tesi ens centrem en transmissió de video en temps real, proporcionant solucions tant a entorns unicast como a entorns multicast. Particularment, vam construir un banc de proves i obtinguérem resultats que comparàrem amb resultats obtinguts mitjançant simulació. D'aquesta manera validarem la fiabilitat dels resultats simulats. Fent ús del mateix banc de proves, vàrem implementar i millorar DACME, un mòdul de control d'admissió, capaç de proveir de qualitat de servici a transmissions de video unicast. DACME va provar ser una bona solució per obtindré un bon nivell de qualitat de servici en entorns de xarxes ad-hoc amb diversos salts. Si ens centrem a la transmissió de video multicast, vàrem implementar i simular diferents esquemes de difusió, específicament dissenyats per al seu ús a entorns VANET. La principal contribució d'aquesta tesi es l'esquema de difusió ACDB (Automatic Copies Distance Based). Fent ús de la densitat vehicular, ACDB es capaç d'obtindre una bona qualitat de video tant a ciutats com a vies interurbanes, sent a especialment efectiu a aquestes últimes. A més a més no es necessària cap configuració per part de l'usuari.Torres Cortés, Á. (2016). Efficient real-time video delivery in vehicular networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62685TESISCompendi

Thwarting Selfish Behavior in 802.11 WLANs

The 802.11e standard enables user configuration of several MAC parameters, making WLANs vulnerable to users that selfishly configure these parameters to gain throughput. In this paper we propose a novel distributed algorithm to thwart such selfish behavior. The key idea of the algorithm is for honest stations to react, upon detecting a selfish station, by using a more aggressive configuration that penalizes this station. We show that the proposed algorithm guarantees global stability while providing good response times. By conducting a game theoretic analysis of the algorithm based on repeated games, we also show its effectiveness against selfish stations. Simulation results confirm that the proposed algorithm optimizes throughput performance while discouraging selfish behavior. We also present an experimental prototype of the proposed algorithm demonstrating that it can be implemented on commodity hardware.Comment: 14 pages, 7 figures, journa

Thwarting selfish behavior in 802.11 WLANs

The 802.11e standard enables user configuration of several MAC parameters, making WLANs vulnerable to users that selfishly configure these parameters to gain throughput. In this paper, we propose a novel distributed algorithm to thwart such selfish behavior. The key idea of the algorithm is for stations to react, upon detecting a misbehavior, by using a more aggressive configuration that penalizes the misbehaving station. We show that the proposed algorithm guarantees global stability while providing good response times. By conducting an analysis of the effectiveness of the algorithm against selfish behaviors, we also show that a misbehaving station cannot obtain any gain by deviating from the algorithm. Simulation results confirm that the proposed algorithm optimizes throughput performance while discouraging selfish behavior. We also present an experimental prototype of the proposed algorithm demonstrating that it can be implemented on commodity hardware.This work was supported by the European Community under the CROWD Project FP7-ICT-318115 and the Centro Universitario de la Defensa under Project CUD2013-05

Desarrollo de mecanismos distribuidos para soporte a calidad de servicio en redes inalámbricas ad-hoc

En esta tesina se desarrolla un entorno MANET de pruebas (testbed) pionero que ofrece QoS (calidad de servicio) activa. Tras su desarrollo y las pruebas de rendimiento pertinentes, se desarrolla una un módulo de control de admisión para mejorar el soporte que estas redes pueden brindar a comunicaciones con requerimientos de QoS.Torres Cortés, Á. (2010). Desarrollo de mecanismos distribuidos para soporte a calidad de servicio en redes inalámbricas ad-hoc. http://hdl.handle.net/10251/14191Archivo delegad

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

Model validation through experimental testbed: the fluid flow behavior example

This testbed practice paper presents our efforts to validate an analytical model for fluid flow behavior in wireless mesh networks with an experimental evaluation. We have developed a fluid model for multihop communication in wireless mesh networks and analyzed it with simulations. Now, we describe our efforts to reproduce the modeled and simulated network with an indoorWiFi mesh network and to measure flow parameters that allow us to verify that the underlying assumptions and the flow behavior can be matched in real networks. Our experiences emphasize the need to gap the bridge between simulations and experimental validation as well as the lack of tools to efficiently validate results. These findings are particularly true in wireless mesh networks where interference is beyond the control of the experiment and where nodes are distributed such that an easy coordination and monitoring of the nodes is not possible

Experimenting with commodity 802.11 hardware: overview and future directions

The huge adoption of 802.11 technologies has triggered a vast amount of experimentally-driven research works. These works range from performance analysis to protocol enhancements, including the proposal of novel applications and services. Due to the affordability of the technology, this experimental research is typically based on commercial off-the-shelf (COTS) devices, and, given the rate at which 802.11 releases new standards (which are adopted into new, affordable devices), the field is likely to continue to produce results. In this paper, we review and categorise the most prevalent works carried out with 802.11 COTS devices over the past 15 years, to present a timely snapshot of the areas that have attracted the most attention so far, through a taxonomy that distinguishes between performance studies, enhancements, services, and methodology. In this way, we provide a quick overview of the results achieved by the research community that enables prospective authors to identify potential areas of new research, some of which are discussed after the presentation of the survey.This work has been partly supported by the European Community through the CROWD project (FP7-ICT-318115) and by the Madrid Regional Government through the TIGRE5-CM program (S2013/ICE-2919).Publicad

Control-theoretic adaptive mechanisms for performance optimization of IEEE 802.11 WLANs: design, implementation and experimental evaluation

The media access control (MAC) layer of the IEEE 802.11 standard specifies a set of parameters that regulate the behavior of the wireless stations when accessing the channel. Although the standard defines a set of recommended values for these parameters, they are statically set and do not take into account the current conditions in the wireless local area network (WLAN) in terms of, e.g., number of contending stations and the traffic they generate, which results in suboptimal performance. In this thesis we propose two novel control theoretic approaches to optimally configure the WLAN parameters based on the dynamically observed network conditions: a Centralized Adaptive Control (CAC) algorithm, whereby the access point (AP) computes the con guration that maximizes performance and signals it to the active stations, and a Distributed Adaptive Control (DAC) algorithm, which is independently employed by each station with the same goal. In contrast to previous proposals, which are mostly based on heuristics, our approaches build upon (i) analytical models of the WLAN performance, used to derive the optimal point of operation of the IEEE 802.11 protocol, and (ii) mathematical foundations from single- and multi-variable control theory, used to design the mechanisms that drive the WLAN to this point of operation. Another key advantage of the proposed algorithms over existing approaches is that they are compliant with the IEEE 802.11 standard and can be implemented with current wireless cards without introducing any modifications into their hardware and/or firmware. We show by means of an exhaustive performance evaluation study that our algorithms maximize the WLAN performance in terms of throughput and delay under a wide set of network conditions, substantially outperforming the standard recommended configuration as well as previous adaptive proposals. Finally, we present our experiences with implementing the proposed adaptive algorithms in a real IEEE 802.11 testbed and discuss the implementation details of the building blocks that comprise these mechanisms. We evaluate their performance by conducting extensive measurements, considering different network conditions in terms of number of nodes, transmission power employed and tra c generated. Based on the obtained results, we provide valuable insights on the performance of the distributed and centralized algorithms and discuss the suitability of these schemes for real deployments. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------El nivel MAC (Media Access Control) del estándar IEEE 802.11 especifica una serie de parámetros que definen el comportamiento de las estaciones inalámbricas cuando acceden al canal. En dicho estándar se define un conjunto de valores recomendados para estos parámetros, si bien estos valores, constantes, no tienen en cuenta las condiciones de la red inalámbrica -en términos de, por ejemplo, número de estaciones o tráfico cursado- por lo que resultan en un rendimiento subóptimo. En esta tesis se proponen dos nuevos algoritmos para configurar de forma óptima estos parámetros partiendo de las condiciones observadas de la red. Dichos algoritmos, construidos sobre la base de la teoría de control, son los siguientes: CAC (Centralized Adaptive Control), que se ejecuta en el punto de acceso, el cual distribuye la configuración a usar al resto de estaciones; y DAC (Distributed Adaptive Control), ejecutado por cada estación de la red inalámbrica de forma independiente. A diferencia de las propuestas anteriores, casi todas ellas basada en heurísticos, los algoritmos se basan en (i) un modelo analítico del rendimiento de la red inalámbrica, necesario para obtener el punto de operación óptimo de la red; y (ii) fundamentos matemáticos de la teoría de control mono y multivariable, aplicados para diseñar el mecanismo que lleva la red a dicho punto de operación. Otra ventaja de los esquemas propuestos frente al trabajo previo es que son compatibles con el estándar IEEE 802.11, y pueden ser implementados sobre las tarjetas existentes sin necesidad de cambiar el hardware o el firmware. Mediante una extensa evaluación de rendimiento bajo diversas condiciones, se comprueba que los algoritmos maximizan las prestaciones de la red tanto en ancho de banda como en retardo, mejorando notablemente los resultados proporcionados por la configuración recomendada en el estándar así como por propuestas dinámicas anteriores. Por último, se presentan las experiencias del prototipado de dichos algoritmos sobre dispositivos IEEE 802.11, discutiendo los detalles de implementación de sus diferentes bloques. Se evalúan las prestaciones de los mismos mediante una extensa serie de experimentos, incluyendo diferentes escenarios en términos del número de nodos, potencia de transmisión usada y tráfico generado. Los resultados obtenidos permiten extraer valiosas conclusiones sobre el rendimiento de los esquemas adaptativos centralizados y distribuidos, así como la viabilidad de su despliegue en escenarios reales

Treatment-Based Classi?cation in Residential Wireless Access Points

IEEE 802.11 wireless access points (APs) act as the central communication hub inside homes, connecting all networked devices to the Internet. Home users run a variety of network applications with diverse Quality-of-Service requirements (QoS) through their APs. However, wireless APs are often the bottleneck in residential networks as broadband connection speeds keep increasing. Because of the lack of QoS support and complicated configuration procedures in most off-the-shelf APs, users can experience QoS degradation with their wireless networks, especially when multiple applications are running concurrently. This dissertation presents CATNAP, Classification And Treatment iN an AP , to provide better QoS support for various applications over residential wireless networks, especially timely delivery for real-time applications and high throughput for download-based applications. CATNAP consists of three major components: supporting functions, classifiers, and treatment modules. The supporting functions collect necessary flow level statistics and feed it into the CATNAP classifiers. Then, the CATNAP classifiers categorize flows along three-dimensions: response-based/non-response-based, interactive/non-interactive, and greedy/non-greedy. Each CATNAP traffic category can be directly mapped to one of the following treatments: push/delay, limited advertised window size/drop, and reserve bandwidth. Based on the classification results, the CATNAP treatment module automatically applies the treatment policy to provide better QoS support. CATNAP is implemented with the NS network simulator, and evaluated against DropTail and Strict Priority Queue (SPQ) under various network and traffic conditions. In most simulation cases, CATNAP provides better QoS supports than DropTail: it lowers queuing delay for multimedia applications such as VoIP, games and video, fairly treats FTP flows with various round trip times, and is even functional when misbehaving UDP traffic is present. Unlike current QoS methods, CATNAP is a plug-and-play solution, automatically classifying and treating flows without any user configuration, or any modification to end hosts or applications