Bandwidth Estimation for IEEE 802.11-based Ad Hoc Networks

International audienceSince 2005, IEEE 802.11-based networks have been able to provide a certain level of quality of service (QoS) by the means of service differentiation, due to the IEEE 802.11e amendment. However, no mechanism or method has been standardized to accurately evaluate the amount of resources remaining on a given channel. Such an evaluation would, however, be a good asset for bandwidth-constrained applications. In multihop ad hoc networks, such evaluation becomes even more difficult. Consequently, despite the various contributions around this research topic, the estimation of the available bandwidth still represents one of the main issues in this field. In this paper, we propose an improved mechanism to estimate the available bandwidth in IEEE 802.11-based ad hoc networks. Through simulations, we compare the accuracy of the estimation we propose to the estimation performed by other state-of-the-art QoS protocols, BRuIT, AAC, and QoS-AODV

Contributions to the routing of traffic flows in multi-hop IEEE 802.11 wireless networks

The IEEE 802.11 standard was not initially designed to provide multi-hop capabilities. Therefore, providing a proper traffic performance in Multi-Hop IEEE 802.11 Wireless Networks (MIWNs) becomes a significant challenge. The approach followed in this thesis has been focused on the routing layer in order to obtain applicable solutions not dependent on a specific hardware or driver. Nevertheless, as is the case of most of the research on this field, a cross-layer design has been adopted. Therefore, one of the first tasks of this work was devoted to the study of the phenomena which affect the performance of the flows in MIWNs. Different estimation methodologies and models are presented and analyzed. The first main contribution of this thesis is related to route creation procedures. First, FB-AODV is introduced, which creates routes and forwards packets according to the flows on the contrary to basic AODV which is destination-based. This enhancement permits to balance the load through the network and gives a finer granularity in the control and monitoring of the flows. Results showed that it clearly benefits the performance of the flows. Secondly, a novel routing metric called Weighted Contention and Interference routing Metric (WCIM) is presented. In all analyzed scenarios, WCIM outperformed the other analyzed state-of-the-art routing metrics due to a proper leveraging of the number of hops, the link quality and the suffered contention and interference. The second main contribution of this thesis is focused on route maintenance. Generally, route recovery procedures are devoted to the detection of link breaks due to mobility or fading. However, other phenomena like the arrival of new flows can degrade the performance of active flows. DEMON, which is designed as an enhancement of FB-AODV, allows the preemptive recovery of degraded routes by passively monitoring the performance of active flows. Results showed that DEMON obtains similar or better results than other published solutions in mobile scenarios, while it clearly outperforms the performance of default AODV under congestion Finally, the last chapter of this thesis deals with channel assignment in multi-radio solutions. The main challenge of this research area relies on the circular relationship between channel assignment and routing; channel assignment determines the routes that can be created, while the created routes decide the real channel diversity of the network and the level of interference between the links. Therefore, proposals which join routing and channel assignment are generally complex, centralized and based on traffic patterns, limiting their practical implementation. On the contrary, the mechanisms presented in this thesis are distributed and readily applicable. First, the Interference-based Dynamic Channel Assignment (IDCA) algorithm is introduced. IDCA is a distributed and dynamic channel assignment based on the interference caused by active flows which uses a common channel in order to assure connectivity. In general, IDCA leads to an interesting trade-off between connectivity preservation and channel diversity. Secondly, MR-DEMON is introduced as way of joining channel assignment and route maintenance. As DEMON, MR-DEMON monitors the performance of the active flows traversing the links, but, instead of alerting the source when noticing degradation, it permits reallocating the flows to less interfered channels. Joining route recovery instead of route creation simplifies its application, since traffic patterns are not needed and channel reassignments can be locally decided. The evaluation of MR-DEMON proved that it clearly benefits the performance of IDCA. Also, it improves DEMON functionality by decreasing the number of route recoveries from the source, leading to a lower overhead.El estándar IEEE 802.11 no fue diseñado inicialmente para soportar capacidades multi-salto. Debido a ello, proveer unas prestaciones adecuadas a los flujos de tráfico que atraviesan redes inalámbricas multi-salto IEEE 802.11 supone un reto significativo. La investigación desarrollada en esta tesis se ha centrado en la capa de encaminamiento con el objetivo de obtener soluciones aplicables y no dependientes de un hardware específico. Sin embargo, debido al gran impacto de fenómenos y parámetros relacionados con las capas físicas y de acceso al medio sobre las prestaciones de los tráficos de datos, se han adoptado soluciones de tipo cross-layer. Es por ello que las primeras tareas de la investigación, presentadas en los capítulos iniciales, se dedicaron al estudio y caracterización de estos fenómenos. La primera contribución principal de esta tesis se centra en mecanismos relacionados con la creación de las rutas. Primero, se introduce una mejora del protocolo AODV, que permite crear rutas y encaminar paquetes en base a los flujos de datos, en lugar de en base a los destinos como se da en el caso básico. Esto permite balacear la carga de la red y otorga un mayor control sobre los flujos activos y sus prestaciones, mejorando el rendimiento general de la red. Seguidamente, se presenta una métrica de encaminamiento sensible a la interferencia de la red y la calidad de los enlaces. Los resultados analizados, basados en la simulación de diferentes escenarios, demuestran que mejora significativamente las prestaciones de otras métricas del estado del arte. La segunda contribución está relacionada con el mantenimiento de las rutas activas. Generalmente, los mecanismos de mantenimiento se centran principalmente en la detección de enlaces rotos debido a la movilidad de los nodos o a la propagación inalámbrica. Sin embargo, otros fenómenos como la interferencia y congestión provocada por la llegada de nuevos flujos pueden degradar de forma significativa las prestaciones de los tráficos activos. En base a ello, se diseña un mecanismo de mantenimiento preventivo de rutas, que monitoriza las prestaciones de los flujos activos y permite su reencaminamiento en caso de detectar rutas degradadas. La evaluación de esta solución muestra una mejora significativa sobre el mantenimiento de rutas básico en escenarios congestionados, mientras que en escenarios con nodos móviles obtiene resultados similares o puntualmente mejores que otros mecanismos preventivos diseñados específicamente para casos con movilidad. Finalmente, el último capítulo de la tesis se centra en la asignación de canales en entornos multi-canal y multi-radio con el objetivo de minimizar la interferencia entre flujos activos. El reto principal en este campo es la dependencia circular que se da entre la asignación de canales y la creación de rutas: la asignación de canales determina los enlaces existentes la red y por ello las rutas que se podrán crear, pero son finalmente las rutas y los tráficos activos quienes determinan el nivel real de interferencia que se dará en la red. Es por ello que las soluciones que proponen unificar la asignación de canales y el encaminamiento de tráficos son generalmente complejas, centralizadas y basadas en patrones de tráfico, lo que limita su implementación en entornos reales. En cambio, en nuestro caso adoptamos una solución distribuida y con mayor aplicabilidad. Primero, se define un algoritmo de selección de canales dinámico basado en la interferencia de los flujos activos, que utiliza un canal común en todos los nodos para asegurar la conectividad de la red. A continuación, se introduce un mecanismo que unifica la asignación de canales con el mantenimiento preventivo de las rutas, permitiendo reasignar flujos degradados a otros canales disponibles en lugar de reencaminarlos completamente. Ambas soluciones demuestran ser beneficiosas en este tipo de entornos.Postprint (published version

Available Bandwidth Estimation for Adaptive Video Streaming in Mobile Ad Hoc

[EN] We propose in this paper an algorithm for available bandwidth estimation in mobile ad hoc networks and its integration into a conventional routing protocol like AODV for improving the rate-adaptive video streaming. We have introduced in our approach a local estimation of the available bandwidth as well as a prediction of the consumed bandwidth. This information allows video application to adjust its transmission rate avoiding network congestion. We conducted a performance evaluation of our solution through simulation experiments using two network scenarios. In the simulation study, transmission of video streams encoded with the H.264/MPEG-4 advanced video coding standard was evaluated. The results reveal performance improvements in terms of packet loss, delay and PSNR.Castellanos, W.; Guerri Cebollada, JC.; Arce Vila, P. (2019). Available Bandwidth Estimation for Adaptive Video Streaming in Mobile Ad Hoc. International Journal of Wireless Information Networks. 26(3):218-229. https://doi.org/10.1007/s10776-019-00431-0S21822926

Providing Dynamic TXOP for QoS Support of Video Transmission in IEEE 802.11e WLANs

The IEEE 802.11e standard introduced by IEEE 802.11 Task Group E (TGe) enhances the Quality of Service (QoS) by means of HCF Controlled Channel Access (HCCA). The scheduler of HCCA allocates Transmission Opportunities (TXOPs) to QoS-enabled Station (QSTA) based on their TS Specifications (TSPECs) negotiated at the traffic setup time so that it is only efficient for Constant Bit Rate (CBR) applications. However, Variable Bit Rate (VBR) traffics are not efficiently supported as they exhibit nondeterministic profile during the time. In this paper, we present a dynamic TXOP assignment Scheduling Algorithm for supporting the video traffics transmission over IEEE 802.11e wireless networks. This algorithm uses a piggybacked information about the size of the subsequent video frames of the uplink traffic to assist the Hybrid Coordinator accurately assign the TXOP according to the fast changes in the VBR profile. The proposed scheduling algorithm has been evaluated using simulation with different variability level video streams. The simulation results show that the proposed algorithm reduces the delay experienced by VBR traffic streams comparable to HCCA scheduler due to the accurate assignment of the TXOP which preserve the channel time for transmission.Comment: arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:1602.0369

A Survey of Medium Access Mechanisms for Providing QoS in Ad-Hoc Networks

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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