Improving Performance of QUIC in WiFi

QUIC is a new transport protocol under standardization since 2016. Initially developed by Google as an experiment, the protocol is already deployed in large-scale, thanks to its support in Chromium and Google's servers. In this paper we experimentally analyze the performance of QUIC in WiFi networks. We perform experiments using both a controlled WiFi testbed and a production WiFi mesh network. In particular, we study how QUIC interplays with MAC layer features such as IEEE 802.11 frame aggregation. We show that the current implementation of QUIC in Chromium achieves sub-optimal throughput in wireless networks. Indeed, burstiness in modern WiFi standards may improve network performance, and we show that a Bursty QUIC (BQUIC), i.e., a customized version of QUIC that is targeted to increase its burstiness, can achieve better performance in WiFi. BQUIC outperforms the current version of QUIC in WiFi, with throughput gains ranging between 20% to 30%

On the performance of QUIC over wireless mesh networks

The exponential growth in adoption of mobile phones and the widespread availability of wireless networks has caused a paradigm shift in the way we access the Internet. It has not only eased access to the Internet, but also increased users’ appetite for responsive services. New protocols to speed up Internet applications have naturally emerged. The QUIC transport protocol is one prominent case. Initially developed by Google as an experiment, the protocol has already made phenomenal strides, thanks to its support in Google’s servers and Chrome browser. Since QUIC is still a relatively new protocol, there is a lack of sufficient understanding about its behavior in real network scenarios, particularly in the case of wireless networks. In this paper we present a comprehensive study on the performance of QUIC in Wireless Mesh Networks (WMN). We perform a measurement campaign on a production WMN to compare the performance of QUIC against TCP when retrieving files from the Internet. Our results show that while QUIC outperforms TCP in wired networks, it exhibits significantly lower performance than TCP in the WMN. We investigate the reasons for this behavior and identify the root causes of the performance issues. We find that some design choices of QUIC may penalize the protocol in WiFi, e.g., uncovering sub-optimal interactions of QUIC with MAC layer features, such as frame aggregation. Finally, we implement and evaluate our solution and demonstrate up to 28% increase in throughput of QUIC.This work was supported by the Erasmus Mundus Joint Doctorate in Distributed Computing EMJD-DC program, the Spanish grant TIN2016-77836-C2-2-R, and Generalitat de Catalunya through 2017-SGR-990. This research was conducted as part of the PhD thesis which is available online at upcommons.upc.edu.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Diseño de un Esquema Cross-Layer para el Balance entre Eficiencia Energética y Calidad de Servicio en la Transmisión de Tráfico Multimedia en Redes Ad-Hoc

This thesis dissertation addresses the problem of energy constraints in ad hoc wireless networks. In this sort of networks nodes are generally powered by means of batteries, which involves significant limitations regarding the time of operation of devices. The nodes whose battery level describes important energy depletion represent potential elements for loss of connectivity, which results in an increase of packet loss rate. Therefore, the management of energy expenditure is one of the main research challenges to face in ad hoc networks, especially when developing applications in real scenarios. However, energy management is not a trivial task due to the inherent features of this kind of networks, such as the distributed operation as well as the access medium mechanism. In that sense, traditional solutions of energy optimization based on the definition of power-saving intervals (sleep mode) are not suitable considering the operational characteristics of an ad hoc network, due to the substantial deterioration of network connectivity. In addition, the exponential growth of applications focused on the transmission of multimedia contents (especially video) available on mobile devices involves specific quality of service levels. Consequently, the design of solutions for the optimization of energy resources should be carried out without degrading the Quality of Experience perceived by the users. The contributions of this thesis are focused, in the first place, on the analysis of those factors which generate an increase of the energy consumption in the wireless medium and are related to the principle of operation of the radio interface. In particular, the intense operation in reception mode on the interference areas, as a result of the overhearing effect, as well as the high number of transmission retries due to channel access contention, are defined as the main aspects that increase energy demand in the network. On the other hand, with the aim of optimizing energy resources in the nodes without causing damage on the Quality of Service, this thesis proposes meaningful improvements to the routing protocol by means of a cross-layer scheme. Specifically, the designed mechanism carries out an evaluation of both the energy capacity available in the nodes and the distribution of devices along the wireless medium. To that end, this proposal introduces a new metric in the routing computation process, called strategic value, which reports the importance of a node in the network in terms of connectivity (i.e. number of neighbor nodes). This scheme aims to reduce the energy expenditure caused by the overhearing effect along the areas with higher node density as well as to extend the lifetime for those nodes with higher number of neighbors which are strategic to preserve network connectivity. Additionally, considering the current pragmatic approach in ad hoc networks focused on the design of specific applications, the evaluation hereby presented has been performed by means of a simulation environment and also through the implementation of a testbed. Specifically, the operation of the proposed scheme has been analyzed on a set of ad hoc nodes which has been implemented through development platforms. Also, a software tool has been developed in order to control and configure the experiments. Results prove that the proposal allows to extend the lifetime of the network as well as to increase packet reception rate as a consequence of the prevention in the route breakages due to energy depletion. Finally, it is worth mentioning that the knowledge acquired by the design, configuration and analysis of experiments by means of hardware devices, has motivated the development of proposals and application studies of ad hoc networks in real environments, which represent an additional contribution of this thesis dissertation.El presente trabajo de tesis doctoral aborda la problemática de las limitaciones de energía en redes inalámbricas ad hoc. En este tipo de redes, los nodos generalmente emplean baterías como fuente de alimentación, lo que limita de forma dramática la autonomía de funcionamiento. Los nodos con mayor agotamiento de energía constituyen potenciales elementos para la pérdida de conectividad parcial o total de la red ocasionando el incremento de la pérdida de paquetes. Por tanto, la gestión eficiente del gasto es uno de los principales desafíos a enfrentar en el ámbito de investigación de redes ad hoc, en especial para el desarrollo de aplicaciones en escenarios reales de operación. Sin embargo, dicha gestión no es una tarea trivial debido a las características inherentes de este tipo de redes, como por ejemplo la operación distribuida, así como el acceso compartido al medio inalámbrico. En tal sentido, los mecanismos usuales de optimización del gasto de energía basados en el establecimiento de períodos de bajo consumo (modo sleep), no se ajustan a las características operativas de una red ad hoc, debido al impacto notable que ocasionan sobre la conectividad en la red. Además, el crecimiento significativo de las aplicaciones y servicios de distribución de contenidos multimedia, especialmente tráfico de vídeo, demandan niveles específicos de calidad de servicio. Por consiguiente, el diseño de soluciones de optimización de los recursos de energía disponible en los nodos no debe implicar la degradación de la calidad de experiencia percibida por los usuarios finales. Las contribuciones del trabajo de tesis se centran, en primer lugar, en el análisis de los factores que incrementan el gasto de energía en el medio inalámbrico y que están relacionados con el principio de operación de la interfaz de radio. En particular, el incremento dramático del funcionamiento en modo recepción ocasionado sobre las zonas de interferencia por el efecto overhearing así como el mayor número de intentos de transmisión debido a la contienda por el acceso al canal, se definen como las principales causas que incrementan la demanda de energía en la red. Por otra parte, con el objetivo de optimizar los recursos de energía disponibles en los nodos sin ocasionar un perjuicio sobre la calidad de servicio, en el presente trabajo de tesis se proponen mejoras al protocolo de encaminamiento mediante un esquema cross-layer. En concreto, el mecanismo diseñado realiza una evaluación de la capacidad de energía disponible en los nodos, así como de la distribución de los dispositivos en el medio inalámbrico. Con tal fin, la propuesta introduce en el cómputo de enrutamiento una métrica nueva denominada valor estratégico, la cual reporta la importancia de un nodo en la red en términos de conectividad (número de dispositivos vecinos). El esquema apunta a reducir el gasto de energía ocasionado por el efecto overhearing en las zonas con mayor densidad de dispositivos, así como extender la autonomía de operación sobre aquellos nodos con mayor número de vecinos, que resultan estratégicos para conservar la conectividad en la red. Además, de forma consecuente con el actual enfoque pragmático en redes ad hoc orientado al diseño de soluciones para escenarios específicos de aplicación, la evaluación de la propuesta se ha realizado tanto en un entorno de simulación, así como mediante la implementación de un testbed. Específicamente, se ha analizado la operación del mecanismo de enrutamiento propuesto sobre un conjunto de nodos ad hoc implementados mediante plataformas de desarrollo. Adicionalmente, se ha desarrollado una herramienta para el control y configuración de los experimentos. Los resultados demuestran que la propuesta permite extender el tiempo de operación de la red, así como incrementar la tasa de paquetes en recepción como consecuencia de la prevención en la ruptura de los enlaces por agotamientoEl present treball de tesi doctoral aborda la problemàtica de les limitacions d'energia en xarxes sense fil ad hoc. En este tipus de xarxes, els nodes generalment empren bateries com a font d'alimentació, la qual cosa limita de forma dramàtica l'autonomia de funcionament. Els nodes amb major esgotament d'energia constituïxen potencials elements per a la pèrdua de connectivitat parcial o total de la xarxa, ocasionant l'increment de la pèrdua de paquets. Per tant, la gestió eficient de la despesa és un dels principals desafiaments a enfrontar en l'àmbit d'investigació de xarxes ad hoc, en especial per al desenvolupament d'aplicacions en escenaris reals d'operació. No obstant això, aquesta gestió no és una tasca trivial a causa de les característiques inherents d'este tipus de xarxes, com per exemple l'operació distribuïda així com l'accés compartit al mitjà sense fil. En este sentit, els mecanismes usuals d'optimització de la despesa d'energia basats en l'establiment de períodes de baix consum (mode sleep), no s'ajusten a les característiques operatives d'una xarxa ad hoc, a causa de l'impacte notable que ocasionen sobre la connectivitat a la xarxa. A més, el creixement significatiu de les aplicacions i serveis de distribució de continguts multimèdia, especialment tràfic de vídeo, demanden nivells específics de qualitat de servei. Per tant, el disseny de solucions d'optimització dels recursos d'energia disponible en els nodes no ha d'implicar la degradació de la qualitat d'experiència percebuda pels usuaris finals. Les contribucions del treball de tesi se centren, en primer lloc, en l'anàlisi dels factors que incrementen la despesa d'energia en el mitjà sense fil i que estan relacionats amb el principi d'operació de la interfície de ràdio. En particular, l'increment dramàtic del funcionament en mode recepció, ocasionat sobre les zones d'interferència per l'efecte overhearing, així com el major nombre d'intents de transmissió a causa de la contesa per l'accés al canal, es definixen com les principals causes que incrementen la demanda d'energia a la xarxa. D'altra banda, amb l'objectiu d'optimitzar els recursos d'energia disponibles en els nodes sense ocasionar un perjudici sobre la qualitat de servici, en el present treball de tesi es proposen millores al protocol d'encaminament mitjançant un esquema cross-layer. En concret, el mecanisme dissenyat realitza una avaluació de la capacitat d'energia disponible en els nodes així com de la distribució dels dispositius en el mitjà sense fil. Amb tal fi, la proposta introduïx en el còmput d'encaminament una nova mètrica denominada valor estratègic, la qual reporta la importància d'un node en la xarxa en termes de connectivitat (nombre de dispositius veïns). L'esquema reduix la despesa ocasionada per l'efecte overhearing a les zones amb major densitat de dispositius i estén l'autonomia d'operació sobre aquells nodes amb major nombre de veïns, que resulten estratègics per conservar la connectivitat a la xarxa. A més, de forma conseqüent amb l'actual enfocament pragmàtic en xarxes ad hoc orientat al disseny de solucions per a escenaris específics d'aplicació, l'avaluació de la proposta s'ha realitzat tant en un entorn de simulació així com per mitjà de la implementació d'un testbed. Específicament, s'ha analitzat l'operació del mecanisme d'encaminament proposat sobre un conjunt de nodes ad hoc implementats mitjançant plataformes de desenvolupament. Addicionalment, s'ha desenvolupat una eina per al control i configuració dels experiments. Els resultats demostren que la proposta permet estendre el temps d'operació de la xarxa així com incrementar la taxa de paquets en recepció com a conseqüència de la prevenció en la ruptura dels enllaços per esgotament d'energia.González Martínez, SR. (2017). Diseño de un Esquema Cross-Layer para el Balance entre Eficiencia Energética y Calidad de Servicio en la Transmisión de Tráfico Multimedia en Redes Ad-Hoc [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84284TESI

Voice and rural wireless mesh community networks: a framework to quantify scalability and manage end-user smartphone battery consumption

Philosophiae Doctor - PhDCommunity wireless mesh initiatives are a pioneering option to cheap ‘last-mile’ access to network services for rural low-income regions primarily located in Sub-Saharan Africa and Developing Asia. However, researchers have criticized wireless mesh networks for their poor scalability; and scalability quantification research has mostly consisted of modularization of per-node throughput capacity behaviour. A scalability quantification model to design wireless mesh networks to provide adequate quality of service is lacking. However, scalability quantification of community mesh networks alone is inadequate because rural users need affordable devices for access; and they need to know how best to use them. Low-cost low-end smartphones offer handset affordability solutions but require smart management of their small capacity battery. Related work supports the usage of Wi-Fi for communication because it is shown to consume less battery than 2G, 3G or Bluetooth. However, a model to compare Wi-Fi battery consumption amongst different low-end smartphones is missing, as is a comparison of different over-the-top communication applications

Dissecting HTTP/2 and QUIC : measurement, evaluation and optimization

Tesi en cotutel·la: Universitat Politècnica de Catalunya i Université catholique de LouvainThe Internet is evolving from the perspective of both usage and connectivity. The meteoric rise of smartphones has not only facilitated connectivity for the masses, it has also increased their appetite for more responsive applications. The widespread availability of wireless networks has caused a paradigm shift in the way we access the Internet. This shift has resulted in a new trend where traditional applications are getting migrated to the cloud, e.g., Microsoft Office 365, Google Apps etc. As a result, modern web content has become extremely complex and requires efficient web delivery protocols to maintain users’ experience regardless of the technology they use to connect to the Internet and despite variations in the quality of users’ Internet connectivity. To achieve this goal, efforts have been put into optimizing existing web and transport protocols, designing new low latency transport protocols and introducing enhance- ments in the WiFi MAC layer. In recent years, several improvements have been introduced in the HTTP protocol resulting in the HTTP/2 standard which allows more efficient use of network resources and a reduced perception of latency. QUIC transport protocol is another example of these ambitious efforts. Initially developed by Google as an experiment, the protocol has already made phenomenal strides, thanks to its support in Google’s servers and Chrome browser. However there is a lack of sufficient understanding and evaluation of these new protocols across a range of environments, which opens new opportunities for research in this direction. This thesis provides a comprehensive study on the behavior, usage and performance of HTTP/2 and QUIC, and advances them by implementing several optimizations. First, in order to understand the behavior of HTTP/1 and HTTP/2 traffic we analyze datasets of passive measurements collected in various operational networks and discover that they have very different characteristics. This calls for a reappraisal of traffic models, as well as HTTP traffic simulation and benchmarking approaches that were built on the understanding of HTTP/1 traffic only and may no longer be valid for modern web traffic. We develop a machine learning-based method compatible with existing flow monitoring systems for the classification of encrypted web traffic into appropriate HTTP versions. This will enable network administrators to identify HTTP/1 and HTTP/2 flows for network managements tasks such as traffic shaping or prioritization. We also investigate the behavior of HTTP/2 stream multiplexing in the wild. We devise a methodology for analysis of large datasets of network traffic comprising over 200 million flows to quantify the usage of H2 multiplexing in the wild and to understand its implications for network infrastructure. Next, we show with the help of emulations that HTTP/2 exhibits poor performance in adverse scenarios such as under high packet losses or network congestion. We confirm that the use of a single connection sometimes impairs application performance of HTTP/2 and implement an optimization in Chromium browser to make it more robust in such scenarios. Finally, we collect and analyze QUIC and TCP traffic in a production wireless mesh network. Our results show that while QUIC outperforms TCP in fixed networks, it exhibits significantly lower performance than TCP when there are wireless links in the end-to-end path. To see why this is the case, we carefully examine how delay variations which are common in wireless networks impact the congestion control and loss detection algorithms of QUIC. We also explore the interaction of QUIC transport with the advanced link layer features of WiFi such as frame aggregation. We fine-tune QUIC based on our findings and show notable increase in performance.Internet está evolucionando desde la perspectiva del uso y la conectividad. El ascenso meteórico de los teléfonos inteligentes no solo ha facilitado la conectividad para las masas, sino que también ha aumentado su apetito por aplicaciones más exigentes. La disponibilidad generalizada de las redes inalámbricas ha provocado un cambio de paradigma en la forma en que accedemos a Internet. Este cambio ha dado lugar a una nueva tendencia en la que las aplicaciones tradicionales se están migrando a la nube. Como resultado, el contenido web moderno se ha vuelto extremadamente complejo y requiere protocolos de entrega web eficientes para mantener la calidad de experiencia de los usuarios. Para lograr este objetivo, se han realizado esfuerzos para optimizar los protocolos web y de transporte existentes, diseñar nuevos protocolos de transporte de baja latencia e introducir mejo-ras en la capa MAC de WiFi. En los últimos años, se han introducido varias mejoras en el proto-colo HTTP que dan como resultado el estándar HTTP/2 que permite un uso más eficiente de los recursos de la red y una menor percepción de la latencia. El protocolo de transporte QUIC es otro ejemplo de estos esfuerzos ambiciosos. Inicialmente desarrollado por Google como un experi-mento, el protocolo ya ha hecho grandes avances, gracias a su soporte en los servidores de Google y el navegador Chrome. Esta tesis proporciona un estudio exhaustivo sobre el comportamiento, uso y rendimiento de HTTP/2 y QUIC, y los mejora mediante la implementación de varias optimizaciones. Primero, para comprender el comportamiento del tráfico HTTP/1 y HTTP/2, analizamos los conjuntos de datos de mediciones pasivas recopiladas en varias redes operativas y descubrimos que tienen carac-terísticas muy diferentes. Esto requiere una reevaluación de los modelos de tráfico, así como los métodos de simulación y evaluación comparativa del tráfico HTTP que se desarrollaron en el es-tudio hecho anteriormente sólo considerando el tráfico HTTP/1, y que ya no sean válidos para el tráfico web moderno. Desarrollamos un método basado en aprendizaje automático compatible con los sistemas de monitoreo de flujo existentes para la clasificación del tráfico web encriptado en las versiones HTTP. Esto permitirá a los administradores de red identificar los flujos de HTTP/1 y HTTP/2 para las tareas de administración de red, como la configuración del tráfico o la prior-ización. También investigamos el comportamiento de la multiplexación de flujos HTTP/2. Dise-ñamos una metodología para el análisis de grandes conjuntos de datos de tráfico de red que comprende más de 200 millones de flujos para cuantificar el uso de la multiplexación HTTP/2 y para comprender sus implicaciones para la infraestructura de red. A continuación, mostramos con la ayuda de las emulaciones que HTTP/2 muestra un rendimiento deficiente en escenarios adversos, como por ejemplo, una gran pérdida de paquetes o la conges-tión de la red. Confirmamos que el uso de una sola conexión a veces perjudica el rendimiento de la aplicación de HTTP/2 e implementamos una optimización en el navegador Chromium para ha-cerlo más robusto en tales escenarios. Finalmente, recopilamos y analizamos el tráfico de QUIC y TCP en una red de malla inalámbrica en producción. Nuestros resultados muestran que, si bien QUIC supera a TCP en redes fijas, puede presentar un rendimiento significativamente menor que TCP cuando hay enlaces inalám-bricos en la ruta de extremo a extremo. Para ver por qué ocurre, examinamos cuidadosamente cómo las variaciones de retardo, que son comunes en las redes inalámbricas, afectan el control de congestión y los algoritmos de detección de pérdida de QUIC. También exploramos la interacción de QUIC con las características avanzadas de la capa de enlace de WiFi, como la agregación de tramas. Ajustando QUIC en función de nuestros hallazgos mostramos que puede conseguirse un notable aumento en el rendimientoPostprint (published version

Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments

[ES] La introducción de soluciones tecnológicas en la agricultura permite reducir el uso de recursos y aumentar la producción de los cultivos. Además, la calidad del agua de regadío se puede monitorizar para asegurar la seguridad de los productos para el consumo humano. Sin embargo, la localización remota de la mayoría de los campos presenta un problema para proveer de cobertura inalámbrica a los nodos sensores y actuadores desplegados en los campos y los canales de agua para regadío. El trabajo presentado en esta tesis aborda el problema de habilitar la comunicación inalámbrica entre los dispositivos electrónicos desplegados para la monitorización de la calidad del agua y el campo a través de un protocolo de comunicación y arquitectura heterogéneos. La primera parte de esta tesis introduce los sistemas de agricultura de precisión (PA) y la importancia de la monitorización de la calidad del agua y el campo. Asimismo, las tecnologías que permiten la comunicación inalámbrica en sistemas PA y el uso de soluciones alternativas como el internet de las cosas bajo tierra (IoUT) y los vehículos aéreos no tripulados (UAV) se introducen también. Después, se realiza un análisis en profundidad del estado del arte respecto a los sensores para la monitorización del agua, el campo y las condiciones meteorológicas, así como sobre las tecnologías inalámbricas más empleadas en PA. Además, las tendencias actuales y los desafíos de los sistemas de internet de las cosas (IoT) para regadío, incluyendo las soluciones alternativas introducidas anteriormente, han sido abordados en detalle. A continuación, se presenta la arquitectura propuesta para el sistema, la cual incluye las áreas de interés para las actividades monitorización que incluye las áreas de los canales y el campo. A su vez, la descripción y los algoritmos de operación de los nodos sensores contemplados para cada área son proporcionados. El siguiente capítulo detalla el protocolo de comunicación heterogéneo propuesto, incluyendo los mensajes y alertas del sistema. Adicionalmente, se presenta una nueva topología de árbol para redes híbridas LoRa/WiFi multisalto. Las funcionalidades específicas adicionales concebidas para la arquitectura propuesta están descritas en el siguiente capítulo. Éstas incluyen algoritmos de agregación de datos para la topología propuesta, un esquema de las amenazas de seguridad para los sistemas PA, algoritmos de ahorro de energía y tolerancia a fallos, comunicación bajo tierra para IoUT y el uso de drones para adquisición de datos. Después, los resultados de las simulaciones para las soluciones propuestas anteriormente son presentados. Finalmente, se tratan las pruebas realizadas en entornos reales para el protocolo heterogéneo presentado, las diferentes estrategias de despliegue de los nodos empleados, el consumo energético y la función de cuantificación de fruta. Estas pruebas demuestran la validez de la arquitectura y protocolo de comunicación heterogéneos que se han propuesto.[CA] La introducció de solucions tecnològiques en l'agricultura permet reduir l'ús de recursos i augmentar la producció dels cultius. A més, la qualitat de l'aigua de regadiu es pot monitoritzar per assegurar la qualitat dels productes per al consum humà. No obstant això, la localització remota de la majoria dels camps presenta un problema per a proveir de cobertura sense fils als nodes sensors i actuadors desplegats als camps i els canals d'aigua per a regadiu. El treball presentat en aquesta tesi tracta el problema d'habilitar la comunicació sense fils entre els dispositius electrònics desplegats per a la monitorització de la qualitat de l'aigua i el camp a través d'un protocol de comunicació i arquitectura heterogenis. La primera part d'aquesta tesi introdueix els sistemes d'agricultura de precisió (PA) i la importància de la monitorització de la qualitat de l'aigua i el camp. Així mateix, també s'introdueixen les tecnologies que permeten la comunicació sense fils en sistemes PA i l'ús de solucions alternatives com l'Internet de les coses sota terra (IoUT) i els vehicles aeris no tripulats (UAV). Després, es realitza una anàlisi en profunditat de l'estat de l'art respecte als sensors per a la monitorització de l'aigua, el camp i les condicions meteorològiques, així com sobre les tecnologies sense fils més emprades en PA. S'aborden les tendències actuals i els reptes dels sistemes d'internet de les coses (IoT) per a regadiu, incloent les solucions alternatives introduïdes anteriorment. A continuació, es presenta l'arquitectura proposada per al sistema, on s'inclouen les àrees d'interès per a les activitats monitorització en els canals i el camp. Finalment, es proporciona la descripció i els algoritmes d'operació dels nodes sensors contemplats per a cada àrea. El següent capítol detalla el protocol de comunicació heterogeni proposat, així como el disseny del missatges i alertes que el sistema proposa. A més, es presenta una nova topologia d'arbre per a xarxes híbrides Lora/WiFi multi-salt. Les funcionalitats específiques addicionals concebudes per l'arquitectura proposada estan descrites en el següent capítol. Aquestes inclouen algoritmes d'agregació de dades per a la topologia proposta, un esquema de les alertes de seguretat per als sistemes PA, algoritmes d'estalvi d'energia i tolerància a fallades, comunicació per a IoUT i l'ús de drons per a adquisició de dades. Després, es presenten els resultats de les simulacions per a les solucions proposades. Finalment, es duen a terme les proves en entorns reals per al protocol heterogeni dissenyat. A més s'expliquen les diferents estratègies de desplegament dels nodes empleats, el consum energètic, així com, la funció de quantificació de fruita. Els resultats d'aquetes proves demostren la validesa de l'arquitectura i protocol de comunicació heterogenis propost en aquesta tesi.[EN] The introduction of technological solutions in agriculture allows reducing the use of resources and increasing the production of the crops. Furthermore, the quality of the water for irrigation can be monitored to ensure the safety of the produce for human consumption. However, the remote location of most fields presents a problem for providing wireless coverage to the sensing nodes and actuators deployed on the fields and the irrigation water canals. The work presented in this thesis addresses the problem of enabling wireless communication among the electronic devices deployed for water quality and field monitoring through a heterogeneous communication protocol and architecture. The first part of the dissertation introduces Precision Agriculture (PA) systems and the importance of water quality and field monitoring. In addition, the technologies that enable wireless communication in PA systems and the use of alternative solutions such as Internet of Underground Things (IoUT) and Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are introduced as well. Then, an in-depth analysis on the state of the art regarding the sensors for water, field and meteorology monitoring and the most utilized wireless technologies in PA is performed. Furthermore, the current trends and challenges for Internet of Things (IoT) irrigation systems, including the alternate solutions previously introduced, have been discussed in detail. Then, the architecture for the proposed system is presented, which includes the areas of interest for the monitoring activities comprised of the canal and field areas. Moreover, the description and operation algorithms of the sensor nodes contemplated for each area is provided. The next chapter details the proposed heterogeneous communication protocol including the messages and alerts of the system. Additionally, a new tree topology for hybrid LoRa/WiFi multi-hop networks is presented. The specific additional functionalities intended for the proposed architecture are described in the following chapter. It includes data aggregation algorithms for the proposed topology, an overview on the security threats of PA systems, energy-saving and fault-tolerance algorithms, underground communication for IoUT, and the use of drones for data acquisition. Then, the simulation results for the solutions previously proposed are presented. Finally, the tests performed in real environments for the presented heterogeneous protocol, the different deployment strategies for the utilized nodes, the energy consumption, and a functionality for fruit quantification are discussed. These tests demonstrate the validity of the proposed heterogeneous architecture and communication protocol.García García, L. (2021). Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17422

Sensor Integration for Smart Cities Using Multi-Hop Networks

Smart Cities are designed to be living systems and turn urban dwellers life more comfortable and interactive by keeping them aware of what surrounds them, while leaving a greener footprint. The Future Cities Project [1] aims to create infrastructures for research in smart cities including a vehicular network, the BusNet, and an environmental sensor platform, the Urban Sense. Vehicles within the BusNet are equipped with On Board Units (OBUs) that offer free Wi-Fi to passengers and devices near the street. The Urban Sense platform is composed by a set of Data Collection Units (DCUs) that include a set of sensors measuring environmental parameters such as air pollution, meteorology and noise. The Urban Sense platform is expanding and receptive to add new sensors to the platform. The parnership with companies like TNL were made and the need to monitor garbage street containers emerged as air pollution prevention. If refuse collection companies know prior to the refuse collection which route is the best to collect the maximum amount of garbage with the shortest path, they can reduce costs and pollution levels are lower, leaving behind a greener footprint. This dissertation work arises in the need to monitor the garbage street containers and integrate these sensors into an Urban Sense DCU. Due to the remote locations of the garbage street containers, a network extension to the vehicular network had to be created. This dissertation work also focus on the Multi-hop network designed to extend the vehicular network coverage area to the remote garbage street containers. In locations where garbage street containers have access to the vehicular network, Roadside Units (RSUs) or Access Points (APs), the Multi-hop network serves has a redundant path to send the data collected from DCUs to the Urban Sense cloud database. To plan this highly dynamic network, the Wi-Fi Planner Tool was developed. This tool allowed taking measurements on the field that led to an optimized location of the Multi-hop network nodes with the use of radio propagation models. This tool also allowed rendering a temperature-map style overlay for Google Earth [2] application. For the DCU for garbage street containers the parner company provided the access to a HUB (device that communicates with the sensor inside the garbage containers). The Future Cities use the Raspberry pi as a platform for the DCUs. To collect the data from the HUB a RS485 to RS232 converter was used at the physical level and the Modbus protocol at the application level. To determine the location and status of the vehicles whinin the vehicular network a TCP Server was developed. This application was developed for the OBUs providing the vehicle Global Positioning System (GPS) location as well as information of when the vehicle is stopped, moving, on idle or even its slope. To implement the Multi-hop network on the field some scripts were developed such as pingLED and “shark”. These scripts helped upon node deployment on the field as well as to perform all the tests on the network. Two setups were implemented on the field, an urban setup was implemented for a Multi-hop network coverage survey and a sub-urban setup was implemented to test the Multi-hop network routing protocols, Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) and Babel

Sensors and Systems for Indoor Positioning

This reprint is a reprint of the articles that appeared in Sensors' (MDPI) Special Issue on “Sensors and Systems for Indoor Positioning". The published original contributions focused on systems and technologies to enable indoor applications

Location-aware mechanism for efficient video delivery over wireless mesh networks

Due to their flexibility, ease of use, low-cost and fast deployment, wireless Mesh Networks have been widely accepted as an alternative to wired network for last-mile connectivity. When used in conjunction with Peer-to-Peer data transfer solutions, many innovative applications and services such as distributed storage, resource sharing, live TV broadcasting or Video on Demand can be supported without any centralized administration. However, in order to achieve a good quality of service in such variable, error-prone and resource-constrained wireless multi-hop environments, it is important that the associated Peer-to-Peer overlay is not only aware of the availability, but also of the location and available path link quality of its peers and services. This thesis proposes a wireless location-aware Chord-based overlay mechanism for Wireless Mesh Networks (WILCO) based on a novel geographical multi-level ID mapping and an improved finger table. The proposed scheme exploits the location information of mesh routers to decrease the number of hops the overlay messages traverse in the physical topology. Analytical and simulation results demonstrate that in comparison to the original Chord, WILCO has significant benefits: it reduces the number of lookup messages, has symmetric lookup on keys in both the forward and backward direction of the Chord ring and achieves a stretch factor of O(1). On top of this location-aware overlay, a WILCO-based novel video segment seeking algorithm is proposed to make use of the multi-level WILCO ID location-awareness to locate and retrieve requested video segments from the nearest peer in order to improve video quality. An enhanced version of WILCO segment seeking algorithm (WILCO+) is proposed to mitigate the sometimes suboptimal selection of the WILCO video segment seeking algorithm by extracting coordinates from WILCO ID to enable location-awareness. Analytical and simulation results illustrate that the proposed scheme outperforms the existing state-of-the-art solutions in terms of PSNR and packet loss with different background traffic loads. While hop count is frequently strongly correlated to Quality of Service, the link quality of the underlying network will also have a strong influence on content retrieval quality. As a result, a Cross-layer Wireless Link Quality-aware Overlay peer selection mechanism (WLO) is proposed. The proposed cross-layer mechanism uses a Multiplication Selector Metric (MSM) to select the best overlay peer. The proposed MSM overcomes the two issues facing the traditional summation-based metric, namely, the difficulty of bottleneck link identification and the influence of hop count on behavior. Simulation results show that WLO outperforms the existing state-of-the-art solutions in terms of video quality at different background loads and levels of topology incompleteness. Real life emulation-based tests and subjective video quality assessments are also performed to show that the simulation results are closely matched by the real-life emulation-based results and to illustrate the significant impact of overlay peer selection on the user perceived video quality