Design and Performance Analysis of Functional Split in Virtualized Access Networks

abstract: Emerging modular cable network architectures distribute some cable headend functions to remote nodes that are located close to the broadcast cable links reaching the cable modems (CMs) in the subscriber homes and businesses. In the Remote- PHY (R-PHY) architecture, a Remote PHY Device (RPD) conducts the physical layer processing for the analog cable transmissions, while the headend runs the DOCSIS medium access control (MAC) for the upstream transmissions of the distributed CMs over the shared cable link. In contrast, in the Remote MACPHY (R-MACPHY) ar- chitecture, a Remote MACPHY Device (RMD) conducts both the physical and MAC layer processing. The dissertation objective is to conduct a comprehensive perfor- mance comparison of the R-PHY and R-MACPHY architectures. Also, development of analytical delay models for the polling-based MAC with Gated bandwidth alloca- tion of Poisson traffic in the R-PHY and R-MACPHY architectures and conducting extensive simulations to assess the accuracy of the analytical model and to evaluate the delay-throughput performance of the R-PHY and R-MACPHY architectures for a wide range of deployment and operating scenarios. Performance evaluations ex- tend to the use of Ethernet Passive Optical Network (EPON) as transport network between remote nodes and headend. The results show that for long CIN distances above 100 miles, the R-MACPHY architecture achieves significantly shorter mean up- stream packet delays than the R-PHY architecture, especially for bursty traffic. The extensive comparative R-PHY and R-MACPHY comparative evaluation can serve as a basis for the planning of modular broadcast cable based access networks.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Quality of service differentiation for multimedia delivery in wireless LANs

Delivering multimedia content to heterogeneous devices over a variable networking environment while maintaining high quality levels involves many technical challenges. The research reported in this thesis presents a solution for Quality of Service (QoS)-based service differentiation when delivering multimedia content over the wireless LANs. This thesis has three major contributions outlined below: 1. A Model-based Bandwidth Estimation algorithm (MBE), which estimates the available bandwidth based on novel TCP and UDP throughput models over IEEE 802.11 WLANs. MBE has been modelled, implemented, and tested through simulations and real life testing. In comparison with other bandwidth estimation techniques, MBE shows better performance in terms of error rate, overhead, and loss. 2. An intelligent Prioritized Adaptive Scheme (iPAS), which provides QoS service differentiation for multimedia delivery in wireless networks. iPAS assigns dynamic priorities to various streams and determines their bandwidth share by employing a probabilistic approach-which makes use of stereotypes. The total bandwidth to be allocated is estimated using MBE. The priority level of individual stream is variable and dependent on stream-related characteristics and delivery QoS parameters. iPAS can be deployed seamlessly over the original IEEE 802.11 protocols and can be included in the IEEE 802.21 framework in order to optimize the control signal communication. iPAS has been modelled, implemented, and evaluated via simulations. The results demonstrate that iPAS achieves better performance than the equal channel access mechanism over IEEE 802.11 DCF and a service differentiation scheme on top of IEEE 802.11e EDCA, in terms of fairness, throughput, delay, loss, and estimated PSNR. Additionally, both objective and subjective video quality assessment have been performed using a prototype system. 3. A QoS-based Downlink/Uplink Fairness Scheme, which uses the stereotypes-based structure to balance the QoS parameters (i.e. throughput, delay, and loss) between downlink and uplink VoIP traffic. The proposed scheme has been modelled and tested through simulations. The results show that, in comparison with other downlink/uplink fairness-oriented solutions, the proposed scheme performs better in terms of VoIP capacity and fairness level between downlink and uplink traffic

Topics in access, storage, and sensor networks

In the first part of this dissertation, Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) and IEEE 802.3ah Ethernet Passive Optical Network (ETON), two access networking standards, are studied. We study the impact of two parameters of the DOCSIS protocol and derive the probability of message collision in the 802.3ah device discovery scheme. We survey existing bandwidth allocation schemes for EPONs, derive the average grant size in one such scheme, and study the performance of the shortest-job-first heuristic. In the second part of this dissertation, we study networks of mobile sensors. We make progress towards an architecture for disconnected collections of mobile sensors. We propose a new design abstraction called tours which facilitates the combination of mobility and communication into a single design primitive and enables the system of sensors to reorganize into desirable topologies alter failures. We also initiate a study of computation in mobile sensor networks. We study the relationship between two distributed computational models of mobile sensor networks: population protocols and self-similar functions. We define the notion of a self-similar predicate and show when it is computable by a population protocol. Transition graphs of population protocols lead its to the consideration of graph powers. We consider the direct product of graphs and its new variant which we call the lexicographic direct product (or the clique product). We show that invariants concerning transposable walks in direct graph powers and transposable independent sets in graph families generated by the lexicographic direct product are uncomputable. The last part of this dissertation makes contributions to the area of storage systems. We propose a sequential access detect ion and prefetching scheme and a dynamic cache sizing scheme for large storage systems. We evaluate the cache sizing scheme theoretically and through simulations. We compute the expected hit ratio of our and competing schemes and bound the expected size of our dynamic cache sufficient to obtain an optimal hit ratio. We also develop a stand-alone simulator for studying our proposed scheme and integrate it with an empirically validated disk simulator

Wireless lans with smart antennas /

Smart antenna systems not only enable users to have high quality links but also increase network throughput by allowing spatial reuse of wireless channels by the use of directional transmission. However performance of smart antenna systems is limited because of the increased hidden terminal problem and deafness of nodes. In this work, we have proposed the Angular MAC (ANMAC) protocol that avoids both problems through medium access tables in the nodes that keep track of the locations of the destination nodes as well as all communicating neighbors. We present detailed performance analysis of ANMAC considering different topologies and traffic scenarios, and we show that SDMA cannot be fully exploited without a smart scheduler. We have also proposed ANMAC with Location based Scheduling (ANMAC-LS) and compared its performance with other smart antenna approaches and omni 802.11 MAC. We prove the efficacy of location based scheduling in wireless networks with smart antennas, and we also show the effects of antenna orientation on throughput, using realistic antenna patterns and the ANMAC protocol. We have also analyzed the effect of contention window size on the performance of the network. By adjusting the contention window according to channel conditions, we can always get the maximum network throughput. We propose an updating algorithm for contention window, and we have analyzed the results both analytically and through simulations

Performance Evaluation of 802.11P Protocol for Emergency Application

Vehicle manufacturers have adopted this technology to assist the drivers drive their car like alarming the driver if he is close to some object while driving or safely parking the car to name a few. However, the main difference in an Adhoc network that involves a vehicle is the mobility factor. A vehicle is constantly in motion varying its location with time which means constant change in its position and surroundings. With the increase in the number of vehicles running in the road the probability of road accidents increases. The aim of the vehicle manufacturers and government agencies is to provide safe driving experience to save lives and assets. Sensor nodes has gone a long way from being just a technology to being an integral part of our life and its no surprise that vehicle manufacturers have incorporated them to create VANET that has a dedicated 802.11p protocol. In this essay based on my thesis, we show that 802.11p protocol is performing as per expected and all the nodes receive packet as should be the case. Simulation is done using an open source, discrete event driven tool called NS2 where a node generates and transmits a packet which is passed on by the other nodes. The simulation is performed considering node distance, retrans-mission attempt, and contention window. The results were analysed on the basis of con-figuration parameter mentioned. We evaluate the performance of 802.11p protocol by studying the output based on the node distance, retransmission attempt, and contention window. The graph generated from the simulation showed that all nodes receives a mes-sage which shows that 802.11p protocol is in fact working as intended. The most surprising result was that all of the nodes received the packet generated by the first node

Resource management in cable access networks

Een kabelnetwerk is tegenwoordig niet meer alleen een medium waarover analoge TV-signalen vanuit een centraal punt, kopstation genaamd, naar de aangesloten huizen worden gestuurd. Sinds enkele jaren is het mogelijk om thuis data digitaal te versturen en te ontvangen. Deze data gaat via een kabelmodem thuis en het kopstation, dat in verbinding staat met andere netwerken. Op deze wijze zijn kabelnetwerken onderdeel geworden van het wereldwijde Internet en kunnen computers thuis hier mee verbonden worden. Door aan zo’n kopstation een digitaal videosysteem met duizenden films te koppelen, ontstaat er de mogelijkheid een video-op-verzoek dienst aan te bieden: Via de computer of zelfs de TV thuis kunnen films worden besteld en direct bekeken, of worden opgeslagen in de computer. Om dit te bewerkstelligen is meer nodig dan alleen een netwerk: Voor de transmissie van video data dient er zorg voor te worden gedragen dat deze zonder hinderende interrupties kan geschieden, omdat dergelijke gebeurtenissen door de gebruiker direct te zien zijn in de vorm van een stilstaand of zwart beeld. Verder is ook de reactiesnelheid van het systeem van belang voor het ondersteunen van operaties door de gebruiker, zoals het bestellen van een film, maar ook het vooruit- of terugspoelen, pauzeren, enzovoorts. Binnen deze context beschrijven en analyseren we in dit proefschrift zes problemen. Vier daarvan houden verband met de transmissie van data over het kabelnetwerk en de overige twee houden verband met het opslaan van video data op een harde schijf. In twee van de vier problemen uit de eerste categorie analyseren we de vertraging die data ondervindt wanneer die vanuit een modem wordt gestuurd naar het kopstation. Deze vertraging bepaalt met name de reactiesnelheid van het systeem. Karakteristiek voor dataverkeer in deze richting is dat pakketten van verschillende modems tegelijkertijd mogen worden verstuurd en daardoor verloren gaan. Met name de vereiste hertransmissies zorgen voor vertraging. Meer concreet beschouwen we een variant op het bekende ALOHA protocol, waarbij we uitgaan van een kanaalmodel dat afwijkt van het conventionele model. Het afwijkende model is van toepassing wanneer een modem een eerste contact probeert te leggen met het kopstation na te zijn opgestart. Met name na een stroomuitval, wanneer een groot aantal modems tegelijkertijd opnieuw opstart, kunnen de vertragingen aanzienlijk zijn. Daarnaast beschouwen we modems tijdens normale operatie en analyseren wij de verbetering in vertraging wanneer pakketten die vanuit ´e´en modem moeten worden verstuurd, worden verpakt in een groter pakket. In beide studies worden wiskundige resultaten vergeleken met simulaties die re¨ele situaties nabootsen. In de andere twee van de vier problemen richten wij ons op de transmissie van video data in de andere richting, namelijk van het kopstation naar de modems. Hierbij spelen stringente tijdsrestricties een voorname rol, zoals hierboven reeds is beschreven. Meer specifiek presenteren we een planningsalgoritme dat pakketten voor een aantal gebruikers op een kanaal zodanig na elkaar verstuurt dat de variatie in de vertraging die de verschillende pakketten ondervinden, minimaal is. Op deze wijze wordt zo goed mogelijk een continue stroom van data gerealiseerd die van belang is voor het probleemloos kunnen bekijken van een film. Daarnaast analyseren we een bestaand algoritme om een film via een aantal kanalen periodiek naar de aangesloten huizen te versturen. In dit geval ligt de nadruk op de wachttijd die een gebruiker ondervindt na het bestellen van een film. In deze analyse onderbouwen we een in het algoritme gebruikte heuristiek en brengen hierin verdere verbeteringen aan. Daarnaast bewijzen we dat het algoritme asymptotisch optimaal is, iets dat reeds langer werd aangenomen, maar nooit rigoreus bewezen was. Bij de laatste twee problemen, die verband houden met het opslaan van video data op een harde schijf, analyseren we hoe deze data zodanig kan worden opgeslagen dat die er nadien efficient van kan worden teruggelezen. In het ene probleem beschouwen we een bestaand planningsalgoritme om pakketten van verschillende videostromen naar een harde schijf te schrijven en passen dit aan om ervoor te zorgen dat het teruglezen van de stroom met bijvoorbeeld een andere pakketgrootte mogelijk wordt zonder daarbij de schijf onnodig te belasten. In het andere probleem analyseren we hoe we effectief gebruik kunnen maken van het gegeven dat data aan de buitenkant van de schijf sneller gelezen kan worden dan aan de binnenkant. We bewijzen dat het probleem van het zo efficient mogelijk opslaan van een gegeven aantal video files NPlastig is en presenteren een eenvoudige heuristiek die, hoewel voor bijzondere instanties een bewijsbaar slechte prestatie levert, in de praktijk in het algemeen goede prestaties levert. Hierbij maken we met name gebruik van het verschil in populariteit van de verschillende films

Wireless sensor networks

Wireless sensor networks promise an unprecedented fine-grained interface between the virtual and the physical world. They are one of the most rapidly developing new information technologies, with applications in a wide range of fields including industrial process control, security and surveillance, environmental sensing, and structural health monitoring. The subject of this project is motivated by the urgent need to provide a comprehensive and organized survey of the field. It shows how the core challenges of energy efficiency, robustness, and autonomy are addressed in these systems by networking techniques across multiple layers. The topics covered include network deployment, wireless characteristics, time synchronization, congestion and error control, medium access, standards, topology control, routing, security, data transfer, transport protocols and new technologies and materials in fabricating sensors