Multiple metrics-OLSR in NAN for Advanced Metering Infrastructures

Routing in Neighbourhood Area Network (NAN) for Smart Grid's Advanced Metering Infrastructure (AMI) raises the need for Quality of Service (QoS)-Aware routing. This is due to the expanded list of applications that will result in the transmission of different types of traffic between NAN devices (i.e smart meters). In wireless mesh network (WMN) routing, a combination of multiple link metrics, though complex, has been identified as a possible solution for QoS routing. These complexities (i.e Np complete problem) can be resolved through the use of Analytical Hierarchy Process (AHP) algorithm and pruning techniques. With the assumption that smart meters transmit IP packets of different sizes at different interval to represent AMI traffic, a case study of the performance of three Optimised Link State Routing (OLSR) link metrics is carried out on a grid topology NAN based WMN in ns-2 network simulator. The best two performing metric were used to show the possibility of combining multiple metrics with OLSR through the AHP algorithm to fulfill the QoS routing requirements of targeted AMI application traffic in NANs

Improving the reliability of optimised link state routing in a smart grid neighbour area network based wireless mesh network using multiple metrics

© 2017 by the authors; licensee MDPI. Reliable communication is the backbone of advanced metering infrastructure (AMI). Within the AMI, the neighbourhood area network (NAN) transports a multitude of traffic, each with unique requirements. In order to deliver an acceptable level of reliability and latency, the underlying network, such as the wireless mesh network (WMN), must provide or guarantee the quality-of-service (QoS) level required by the respective application traffic. Existing WMN routing protocols, such as optimised link state routing (OLSR), typically utilise a single metric and do not consider the requirements of individual traffic; hence, packets are delivered on a best-effort basis. This paper presents a QoS-aware WMN routing technique that employs multiple metrics in OLSR optimal path selection for AMI applications. The problems arising from this approach are non deterministic polynomial time (NP)-complete in nature, which were solved through the combined use of the analytical hierarchy process (AHP) algorithm and pruning techniques. For smart meters transmitting Internet Protocol (IP) packets of varying sizes at different intervals, the proposed technique considers the constraints of NAN and the applications' traffic characteristics. The technique was developed by combining multiple OLSR path selection metrics with the AHP algorithm in ns-2. Compared with the conventional link metric in OLSR, the results show improvements of about 23% and 45% in latency and Packet Delivery Ratio (PDR), respectively, in a 25-node grid NAN

Performance analysis of variable Smart Grid traffic over ad hoc Wireless Mesh Networks

Recent advances in ad hoc Wireless Mesh Networks (WMN) has posited it as a strong candidate in Smart Grid's Neighbourhood Area Network (NAN) for Advanced Metering Infrastructure (AMI). However, its abysmal capacity and poor multi-hoping performance in harsh dynamic environment will require an improvement to its protocol stacks in order for it to effectively support the variable requirements of application traffic in Smart Grid. This paper presents a classification of Smart Grid traffics and examines the performance of HWMP (which is the default routing protocol of the IEEE 802.11s standard) with the Optimised Link State Routing (OLSR) protocol in a NAN based ad hoc WMN. Results from simulations in ns-3 show that HWMP does not outperform OLSR. This indicates that cross layer modifications can be developed in OLSR protocol to address the routing challenges in a NAN based ad hoc WMN

Improving the Reliability of Optimised Link State Routing Protocol in Smart Grid’s Neighbour Area Network

A reliable and resilient communication infrastructure that can cope with variable application traffic types and delay objectives is one of the prerequisites that differentiates a Smart Grid from the conventional electrical grid. However, the legacy communication infrastructure in the existing electrical grid is insufficient, if not incapable of satisfying the diverse communication requirements of the Smart Grid. The IEEE 802.11 ad hoc Wireless Mesh Network (WMN) is re-emerging as one of the communication networks that can significantly extend the reach of Smart Grid to backend devices through the Advanced Metering Infrastructure (AMI). However, the unique characteristics of AMI application traffic in the Smart Grid poses some interesting challenges to conventional communication networks including the ad hoc WMN. Hence, there is a need to modify the conventional ad hoc WMN, to address the uncertainties that may exist in its applicability in a Smart Grid environment. This research carries out an in-depth study of the communication of Smart Grid application traffic types over ad hoc WMN deployed in the Neighbour Area Network (NAN). It begins by conducting a critical review of the application characteristics and traffic requirements of several Smart Grid applications and highlighting some key challenges. Based on the reviews, and assuming that the application traffic types use the internet protocol (IP) as a transport protocol, a number of Smart Grid application traffic profiles were developed. Through experimental and simulation studies, a performance evaluation of an ad hoc WMN using the Optimised Link State Routing (OLSR) routing protocol was carried out. This highlighted some capacity and reliability issues that routing AMI application traffic may face within a conventional ad hoc WMN in a Smart Grid NAN. Given the fact that conventional routing solutions do not consider the traffic requirements when making routing decisions, another key observation is the inability of link metrics in routing protocols to select good quality links across multiple hops to a destination and also provide Quality of Service (QoS) support for target application traffic. As with most routing protocols, OLSR protocol uses a single routing metric acquired at the network layer, which may not be able to accommodate different QoS requirements for application traffic in Smart Grid. To address these problems, a novel multiple link metrics approach to improve the reliability performance of routing in ad hoc WMN when deployed for Smart Grid is presented. It is based on the OLSR protocol and explores the possibility of applying QoS routing for application traffic types in NAN based ad hoc WMN. Though routing in multiple metrics has been identified as a complex problem, Multi-Criteria Decision Making (MCDM) techniques such as the Analytical Hierarchy Process (AHP) and pruning have been used to perform such routing on wired and wireless multimedia applications. The proposed multiple metrics OLSR with AHP is used to offer the best available route, based on a number of considered metric parameters. To accommodate the variable application traffic requirements, a study that allows application traffic to use the most appropriate routing metric is presented. The multiple metrics development is then evaluated in Network Simulator 2.34; the simulation results demonstrate that it outperforms existing routing methods that are based on single metrics in OLSR. It also shows that it can be used to improve the reliability of application traffic types, thereby overcoming some weaknesses of existing single metric routing across multiple hops in NAN. The IEEE 802.11g was used to compare and analyse the performance of OLSR and the IEEE 802.11b was used to implement the multiple metrics framework which demonstrate a better performance than the single metric. However, the multiple metrics can also be applied for routing on different IEEE wireless standards, as well as other communication technologies such as Power Line Communication (PLC) when deployed in Smart Grid NAN

Performance evaluation of Wireless Mesh Network routing protocol for smart grid networks

Recent Advances in Wireless Mesh Networks (WMN) makes it one of the candidate communication technologies for Smart Grid Automatic Metering Infrastructure (AMI) because of its scalability and low cost of deployment. However, its capacity and multi-hoping performance in dynamic environment may not guarantee resilience and packet delivery reliability requirements of AMI. Theoretical and practical studies have shown that the multi-hoping capacity of a mesh network is constrained by increase in the number of nodes and number of hops in the network. In addition traffic requirements for smart meters will further compound WMN multi-hopping issues. In this paper, the performance of WMN when deployed for AMI is carried out using two wireless routing protocols; Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP) and Optimised Link State Rout protocol (OLSR) in NS-3. Simulation results show that compared to the reliability requirement of AMI, there is need for improving the routing metric for both protocols. Furthermore, The Dynamic Link Exchange Protocol (DLEP) which allows layer 2 link estimation was proposed to enhance the route decision

A joint multi-path and multi-channel protocol for traffic routing in smart grid neighborhood area networks

In order to improve the management mechanisms of the electric energy transport infrastructures, the smart grid networks have associated data networks that are responsible for transporting the necessary information between the different elements of the electricity network and the control center. Besides, they make possible a more efficient use of this type of energy. Part of these data networks is comprised of the Neighborhood Area Networks (NANs), which are responsible for interconnecting the different smart meters and other possible devices present at the consumers' premises with the control center. Among the proposed network technologies for NANs, wireless technologies are becoming more relevant due to their flexibility and increasing available bandwidth. In this paper, some general modifications are proposed for the routing protocol of the wireless multi-hop mesh networks standardized by the IEEE. In particular, the possibility of using multiple paths and transmission channels at the same time, depending on the quality of service needs of the different network traffic, is added. The proposed modifications have been implemented in the ns-3 simulator and evaluated in situations of high traffic load. Simulation results show improvements in the network performance in terms of packet delivery ratio, throughput and network transit time.Peer ReviewedPostprint (published version

Contribution to the traffc engineering in wireless mesh networks

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2019-2020, àmbit d’Enginyeria de les TICNowadays, we live in a modern society in which people and devices are interconnected anywhere and anytime. Under this premise, both the infrastructure and the services offered have evolved and diversified in a drastic way. In fact, many of these services are transported in decentralized networks. Among them, Wireless mesh networks are decentralized networks that have been widely studied in different research areas such as community networks, public safety and surveillance. Wireless mesh networks have been also studied and evaluated in the Smart Grid scenario. Smart Grids are a new paradigm in which the electricity network is no longer focused only on the generation, distribution and transport of electricity to subscribers. Now, it is a robust network that includes a data communication network. The associated data network is divided in different subnetworks. This thesis is mainly focused on the improvement of the performance of one of those subnetworks, the so-called Smart Grid Neighborhood Area Network. Several applications are transmitted between the users and the control center. In general, upstream communication involves tasks such as meter reading, billing data or electricity consumption, while downstream communication allows the smart grid to take actions in different network situations such as power peaks or emergency situations. In the first part, the work is focused on improving the routing mechanism. To do this, a multipath routing mechanism is proposed, where the traffics that are most important are transmitted over the best communication links. In order to improve even more the benefits obtained, a multichannel scheme is proposed to separate both control traffic and data traffic, and use the less congested channels to transmit the most priority traffic types.Smart Grids offer many services and some of them are very demanding in terms of QoS. Besides, infrastructure failures, attacks and high congestion situations can greatly reduce the network performance. Therefore, the network must be able to offer a minimum QoS to the most priority applications handling some traffic control techniques. With this goal in mind, in this thesis some congestion control mechanisms are also proposed. In the first of these mechanisms, the decision of whether a packet should be retransmitted or not is made in a distributed and independent way by each one of the network nodes, depending on the network conditions that the node itself is observing. This mechanism considers again the existence of traffics with different priorities, so that, less priority traffic has a higher probability of being discarded. Furthermore, an emergency system is coupled to the congestion control mechanism. With this strategy, the NAN is able to take global actions (in a short time) to face anomalous situations.In a Smart grid scenario, the nodes are static and each of them transmits upstream data flows to the data concentrator. Therefore, depending on their geographical location, some nodes may be more favored than others. Besides, some nodes can monopolize the network resources if they are not regulated. For this reason, in this thesis another distributed solution is proposed that runs in each node. The objective here is to provide a fair distribution of network resources regardless of the geographical position and the transmission rate. The last contribution is focused on the application of machine learning techniques to obtain again a better performance of the data networks under study. In this sense, a new congestion control mechanism is proposed, which, like the previous ones, provides different quality of service to data flows with different priorities. For this, a complete framework is proposed, including the generation, preprocessing and evaluation of the data necessary for the training of the machine learning algorithms that will be used. The proposal is also implemented and evaluated in the Smart Grid NANs environmentAvui dia, vivim en una societat en què les persones i els dispositius estan interconnectats en qualsevol lloc i en qualsevol moment. Sota aquesta premissa, la infraestructura com els serveis oferts han evolucionat i diversificat de manera dràstica. De fet, molts d'aquests serveis s'envien en xarxes descentralitzades. Entre elles, les xarxes de malla sense fils són xarxes descentralitzades que han estat àmpliament estudiades en diferents àrees com xarxes comunitàries, seguretat pública i vigilància. Les xarxes de malla sense fils també s'han estudiat i avaluat en les xarxes elèctriques intel·ligents. Aquestes xarxes són un nou paradigma on la xarxa elèctrica ja no es centra només en la generació, distribució i transport d'electricitat als subscriptors. Ara, és una xarxa robusta que inclou una xarxa de comunicació de dades. La xarxa de dades associada es divideix en diferents subxarxes. Aquesta tesi se centra a millorar el rendiment d'una d'aquestes subxarxes, l'anomenada xarxa d'àrea de veïnatge de les xarxes elèctriques intel·ligents. Diverses aplicacions s'envien entre els usuaris i el centre de control. En general, la comunicació de pujada implica la lectura de mesuradors, dades de facturació o consum elèctric, mentre que la comunicació de baixada permet que la xarxa intel·ligent prengui mesures davant diferents situacions, com pics d'energia o d'emergència. La primera part de la feina es centra a millorar el mecanisme d'enrutament. Per això, es proposa un mecanisme de múltiples rutes, on els tràfics més prioritaris s'envien a través dels millors enllaços de comunicació. A més, es proposa un esquema multicanal per separar el tràfic de control del de dades, i utilitzar els canals menys congestionats per enviar les dades més prioritàries.Les xarxes elèctriques intel·ligents ofereixen molts serveis i alguns són exigents en termes de qualitat de servei (QoS). A més, les falles d'infraestructura, els atacs i les situacions d'alta congestió poden reduir el seu rendiment. Per tant, la xarxa ha d'oferir una QoS mínima a les aplicacions més prioritàries mitjançant algunes tècniques de control de tràfic. Amb aquest objectiu, en aquesta tesi també es proposen alguns mecanismes de control de congestió. En el primer d'aquests mecanismes, cada node de forma distribuïda i independent, decideix si un paquet s¿ha de retransmetre o no depenent de les condicions de la xarxa que el mateix node està observant. Aquest mecanisme considera novament tràfics amb diferents prioritats, de manera que, el tràfic menys prioritari té una major probabilitat de ser descartat. A més, un sistema d'emergència està acoblat amb el mecanisme de control de congestió. Amb això, la xarxa pot prendre accions globals (en poc temps) per enfrontar situacions anòmales.A les xarxes elèctriques intel·ligents, els nodes són fixos i cadascun envia dades a un concentrador de dades. Per tant, depenent de la seva ubicació geogràfica, alguns nodes poden ser més afavorits que altres. A més, alguns nodes poden monopolitzar els recursos de xarxa si no són regulats. A causa d'això, en aquesta tesi es proposa una altra solució distribuïda que s'executa en cada node. L'objectiu és proveir una distribució justa dels recursos de la xarxa, independent de la posició geogràfica i la velocitat de transmissió. L'última contribució es centra en l'aplicació de tècniques d'aprenentatge automàtic per obtenir de nou un millor rendiment de les xarxes de dades en estudi. En aquest sentit, es proposa un nou mecanisme de control de congestió que, a l'igual que els anteriors, proveeix diferent qualitat de servei d'acord amb la prioritat de les dades. Per això, es proposa un sistema, que inclou la generació, el processament i l'avaluació de les dades necessàries per a l'entrenament dels algoritmes d'aprenentatge que s'utilitzaran. La proposta també s'implementa i avalua a l'entorn de les xarxes elèctriques intel·ligents en l'entorn de Smart Grid NANsHoy en día, vivimos en una sociedad moderna en la que las personas y los dispositivos están interconectados en cualquier lugar y en cualquier momento. Bajo esta premisa, tanto la infraestructura como los servicios ofrecidos han evolucionado y diversificado de manera drástica. De hecho, muchos de estos servicios se transportan en diferentes tipos de redes. Las redes descentralizadas (o sin infraestructura) se están utilizando ampliamente para soportar estos servicios. Permiten una mayor accesibilidad para los usuarios debido a una gran cantidad de ventajas. Por ejemplo, la creación automática, la configuración automática, la instalación fácil en áreas de difícil acceso, mantenimiento y escalabilidad hacen que este tipo de redes sean atractivas para los proveedores de servicios. Entre ellas, las redes de malla inalámbricas son redes descentralizadas que han sido ampliamente estudiadas en diferentes áreas de investigación, como redes comunitarias, escenarios de desastres, seguridad pública y vigilancia. Además, estos tipos de red son más estructurados que las redes ad hoc inalámbricas tradicionales y, por lo tanto, pueden admitir protocolos más complejos. Las redes de malla inalámbricas también se han estudiado y evaluado en el escenario de redes eléctricas inteligentes. Las redes eléctricas inteligentes son un nuevo paradigma en el que se abordan las infraestructuras tradicionales de transporte de electricidad. En este contexto, la red eléctrica ya no se centra solo en la generación, distribución y transporte de electricidad a los suscriptores. Ahora, es una red robusta que incluye una red de comunicación de datos. El objetivo de tener una red de comunicación de datos junto con la eléctrica es proporcionar un servicio eficiente desde el centro de control al usuario, así como dar retroalimentación sobre el correcto funcionamiento de las redes de electricidad y datos al centro de control. Como la infraestructura de transporte eléctrico, la red de datos asociada se divide en diferentes subredes. Esta tesis se centra principalmente en la mejora del rendimiento de una de esas subredes, la llamada red de área de vecindad de las redes electrices inteligentes. Las contribuciones se centran en mejorar el enrutamiento de datos, proporcionando una diferenciación del tráfico con la provisión de calidad de servicio (QoS), mecanismos de control de congestión, un sistema de emergencia que trata situaciones anómalas de la red y una distribución justa de los recursos de la red. Varias aplicaciones se transmiten desde los usuarios al centro de control, así como desde el centro de control hacia los usuarios. En general, la comunicación hacia el centro de control implica tareas como la lectura de medidores, los datos de facturación o el consumo de electricidad, mientras que la comunicación hacia los suscriptores permite que la red eléctrica inteligente tome medidas en diferentes situaciones de la red, como picos de energía o situaciones de emergencia. En la primera parte de la tesis, el trabajo se centra en mejorar el mecanismo de enrutamiento. Para hacer esto, se propone un mecanismo de enrutamiento de múltiples rutas, donde los tráficos que son más importantes se transmite a través de los mejores enlaces de comunicación, mientras que los tráficos de menor prioridad se transmiten a través de las rutas con menos reputación (menos métrica de enrutamiento). Para mejorar aun más los beneficios obtenidos, se propone un esquema multicanal para separar tanto el tráfico de control como el tráfico de datos, y utilizar los canales menos congestionados para transmitir los tipos de tráfico más prioritarios. Las redes eléctricas inteligentes ofrecen muchos servicios y algunos de ellos son muy exigentes en términos de QoS. Por lo tanto, las fallas de infraestructura, los ataques y las situaciones de alta congestión pueden reducir en gran medida el rendimiento de la red. Para enfrentar estos problemas, la red debe poder ofrecer una calidad de servicio mínima a las aplicaciones más prioritarias mediante algunas técnicas de control de tráfico. Con este objetivo en mente, en esta tesis también se proponen algunos mecanismos de control de congestión. En el primero de estos mecanismos, cada uno de los nodos de la red decide de manera distribuida e independiente si un paquete debe o no ser retransmitido, dependiendo de las condiciones de la red (principalmente la utilización promedio del canal y la ocupación de los buffers) que el nodo mismo está observando. Es decir, un nodo intermedio puede descartar directamente un paquete de datos si observa que el canal de transmisión se está utilizando por encima de un cierto umbral. Este mecanismo considera nuevamente la existencia de tráficos con diferentes prioridades, de modo que, el tráfico menos prioritario tiene una mayor probabilidad de ser descartado. Además, un sistema de emergencia está acoplado al mecanismo de control de congestión. Con esta estrategia, la NAN puede tomar acciones globales (en poco tiempo) para enfrentar situaciones anómalas, lo que proporciona aún más probabilidad de transmisión para tráficos con mayores requisitos de QoS. Con este fin, también se propone una señalización de emergencia que puede activarse automática o manualmente. Una distribución justa de los recursos de la red también es un campo de investigación importante en las redes eléctricas inteligentes. Tenga en cuenta que, en este escenario, los nodos son estáticos y cada uno de ellos transmite flujos de datos hacia al concentrador de datos. Por lo tanto, dependiendo de su ubicación geográfica, algunos nodos pueden ser más favorecidos que otros. Además, algunos nodos pueden monopolizar los recursos de la red si no están regulados. Por esta razón, en esta tesis se propone otro algoritmo de control de congestión distribuido que se ejecuta en cada nodo. El objetivo aquí es proporcionar una distribución justa de los recursos de la red, independientemente de la posición geográfica y la velocidad de transmisión. Es decir, todos los nodos tendrán las mismas oportunidades para transmitir sus datos al centro de control. La solución propuesta es independiente de la red, mac y capas físicas. La última contribución realizada con esta tesis se centra en la aplicación de técnicas de aprendizaje automático para obtener nuevamente un mejor rendimiento de las redes de datos en estudio. En este sentido, se propone un nuevo mecanismo de control de congestión que, al igual que los anteriores, proporciona diferente calidad de servicio a los flujos de datos con diferentes prioridades. Para esto, se propone un marco completo, que incluye la generación, el preprocesamiento y la evaluación de los datos necesarios para la capacitación de los algoritmos de aprendizaje automático que se utilizarán. La propuesta también se implementa y evalúa en el entorno de Smart Grid NANs.Award-winningPostprint (published version

Emergency aware congestion control for smart grid neighborhood area networks

© . This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/The evolution of traditional electricity distribution infrastructures towards Smart Grid networks has generated the need to carry out new research. There are many fields that have attracted the attention of researchers, among which is the improvement of the performance of the so-called Neighborhood Area Networks (NAN). In this sense, and given the critical nature of some of the data transmitted by these networks, maintaining an adequate quality of service (QoS) is absolutely necessary. In emergency situations, this need becomes even more evident. This article presents a congestion control mechanism, whose parameters are modified according to the network state of emergency. The mechanism also applies a multi-channel allocation technique, together with a differentiation in the QoS offered to the different data flows according to their relevance. These proposals have been evaluated in the context of a wireless mesh networks (WMN) made up by a set of smart meter devices, where various smart grids (SG) applications are sending their data traffics. Each SG application must meet its unique quality of service (QoS) requirements, such as reliability and delay. To evaluate the proposals, some NAN scenarios have been built by using the ns-3 simulator and its 802.11s basic model, which was modified to implement the proposed techniques. Compared with the basic Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP), Emergency Aware Congestion Control proposal (EA-HWMP), shows significant improvements in terms of packet delivery ratio, network throughput and transit time.Peer ReviewedPostprint (published version

Contribution to the traffc engineering in wireless mesh networks

Nowadays, we live in a modern society in which people and devices are interconnected anywhere and anytime. Under this premise, both the infrastructure and the services offered have evolved and diversified in a drastic way. In fact, many of these services are transported in decentralized networks. Among them, Wireless mesh networks are decentralized networks that have been widely studied in different research areas such as community networks, public safety and surveillance. Wireless mesh networks have been also studied and evaluated in the Smart Grid scenario. Smart Grids are a new paradigm in which the electricity network is no longer focused only on the generation, distribution and transport of electricity to subscribers. Now, it is a robust network that includes a data communication network. The associated data network is divided in different subnetworks. This thesis is mainly focused on the improvement of the performance of one of those subnetworks, the so-called Smart Grid Neighborhood Area Network. Several applications are transmitted between the users and the control center. In general, upstream communication involves tasks such as meter reading, billing data or electricity consumption, while downstream communication allows the smart grid to take actions in different network situations such as power peaks or emergency situations. In the first part, the work is focused on improving the routing mechanism. To do this, a multipath routing mechanism is proposed, where the traffics that are most important are transmitted over the best communication links. In order to improve even more the benefits obtained, a multichannel scheme is proposed to separate both control traffic and data traffic, and use the less congested channels to transmit the most priority traffic types.Smart Grids offer many services and some of them are very demanding in terms of QoS. Besides, infrastructure failures, attacks and high congestion situations can greatly reduce the network performance. Therefore, the network must be able to offer a minimum QoS to the most priority applications handling some traffic control techniques. With this goal in mind, in this thesis some congestion control mechanisms are also proposed. In the first of these mechanisms, the decision of whether a packet should be retransmitted or not is made in a distributed and independent way by each one of the network nodes, depending on the network conditions that the node itself is observing. This mechanism considers again the existence of traffics with different priorities, so that, less priority traffic has a higher probability of being discarded. Furthermore, an emergency system is coupled to the congestion control mechanism. With this strategy, the NAN is able to take global actions (in a short time) to face anomalous situations.In a Smart grid scenario, the nodes are static and each of them transmits upstream data flows to the data concentrator. Therefore, depending on their geographical location, some nodes may be more favored than others. Besides, some nodes can monopolize the network resources if they are not regulated. For this reason, in this thesis another distributed solution is proposed that runs in each node. The objective here is to provide a fair distribution of network resources regardless of the geographical position and the transmission rate. The last contribution is focused on the application of machine learning techniques to obtain again a better performance of the data networks under study. In this sense, a new congestion control mechanism is proposed, which, like the previous ones, provides different quality of service to data flows with different priorities. For this, a complete framework is proposed, including the generation, preprocessing and evaluation of the data necessary for the training of the machine learning algorithms that will be used. The proposal is also implemented and evaluated in the Smart Grid NANs environmentAvui dia, vivim en una societat en què les persones i els dispositius estan interconnectats en qualsevol lloc i en qualsevol moment. Sota aquesta premissa, la infraestructura com els serveis oferts han evolucionat i diversificat de manera dràstica. De fet, molts d'aquests serveis s'envien en xarxes descentralitzades. Entre elles, les xarxes de malla sense fils són xarxes descentralitzades que han estat àmpliament estudiades en diferents àrees com xarxes comunitàries, seguretat pública i vigilància. Les xarxes de malla sense fils també s'han estudiat i avaluat en les xarxes elèctriques intel·ligents. Aquestes xarxes són un nou paradigma on la xarxa elèctrica ja no es centra només en la generació, distribució i transport d'electricitat als subscriptors. Ara, és una xarxa robusta que inclou una xarxa de comunicació de dades. La xarxa de dades associada es divideix en diferents subxarxes. Aquesta tesi se centra a millorar el rendiment d'una d'aquestes subxarxes, l'anomenada xarxa d'àrea de veïnatge de les xarxes elèctriques intel·ligents. Diverses aplicacions s'envien entre els usuaris i el centre de control. En general, la comunicació de pujada implica la lectura de mesuradors, dades de facturació o consum elèctric, mentre que la comunicació de baixada permet que la xarxa intel·ligent prengui mesures davant diferents situacions, com pics d'energia o d'emergència. La primera part de la feina es centra a millorar el mecanisme d'enrutament. Per això, es proposa un mecanisme de múltiples rutes, on els tràfics més prioritaris s'envien a través dels millors enllaços de comunicació. A més, es proposa un esquema multicanal per separar el tràfic de control del de dades, i utilitzar els canals menys congestionats per enviar les dades més prioritàries.Les xarxes elèctriques intel·ligents ofereixen molts serveis i alguns són exigents en termes de qualitat de servei (QoS). A més, les falles d'infraestructura, els atacs i les situacions d'alta congestió poden reduir el seu rendiment. Per tant, la xarxa ha d'oferir una QoS mínima a les aplicacions més prioritàries mitjançant algunes tècniques de control de tràfic. Amb aquest objectiu, en aquesta tesi també es proposen alguns mecanismes de control de congestió. En el primer d'aquests mecanismes, cada node de forma distribuïda i independent, decideix si un paquet s¿ha de retransmetre o no depenent de les condicions de la xarxa que el mateix node està observant. Aquest mecanisme considera novament tràfics amb diferents prioritats, de manera que, el tràfic menys prioritari té una major probabilitat de ser descartat. A més, un sistema d'emergència està acoblat amb el mecanisme de control de congestió. Amb això, la xarxa pot prendre accions globals (en poc temps) per enfrontar situacions anòmales.A les xarxes elèctriques intel·ligents, els nodes són fixos i cadascun envia dades a un concentrador de dades. Per tant, depenent de la seva ubicació geogràfica, alguns nodes poden ser més afavorits que altres. A més, alguns nodes poden monopolitzar els recursos de xarxa si no són regulats. A causa d'això, en aquesta tesi es proposa una altra solució distribuïda que s'executa en cada node. L'objectiu és proveir una distribució justa dels recursos de la xarxa, independent de la posició geogràfica i la velocitat de transmissió. L'última contribució es centra en l'aplicació de tècniques d'aprenentatge automàtic per obtenir de nou un millor rendiment de les xarxes de dades en estudi. En aquest sentit, es proposa un nou mecanisme de control de congestió que, a l'igual que els anteriors, proveeix diferent qualitat de servei d'acord amb la prioritat de les dades. Per això, es proposa un sistema, que inclou la generació, el processament i l'avaluació de les dades necessàries per a l'entrenament dels algoritmes d'aprenentatge que s'utilitzaran. La proposta també s'implementa i avalua a l'entorn de les xarxes elèctriques intel·ligents en l'entorn de Smart Grid NANsHoy en día, vivimos en una sociedad moderna en la que las personas y los dispositivos están interconectados en cualquier lugar y en cualquier momento. Bajo esta premisa, tanto la infraestructura como los servicios ofrecidos han evolucionado y diversificado de manera drástica. De hecho, muchos de estos servicios se transportan en diferentes tipos de redes. Las redes descentralizadas (o sin infraestructura) se están utilizando ampliamente para soportar estos servicios. Permiten una mayor accesibilidad para los usuarios debido a una gran cantidad de ventajas. Por ejemplo, la creación automática, la configuración automática, la instalación fácil en áreas de difícil acceso, mantenimiento y escalabilidad hacen que este tipo de redes sean atractivas para los proveedores de servicios. Entre ellas, las redes de malla inalámbricas son redes descentralizadas que han sido ampliamente estudiadas en diferentes áreas de investigación, como redes comunitarias, escenarios de desastres, seguridad pública y vigilancia. Además, estos tipos de red son más estructurados que las redes ad hoc inalámbricas tradicionales y, por lo tanto, pueden admitir protocolos más complejos. Las redes de malla inalámbricas también se han estudiado y evaluado en el escenario de redes eléctricas inteligentes. Las redes eléctricas inteligentes son un nuevo paradigma en el que se abordan las infraestructuras tradicionales de transporte de electricidad. En este contexto, la red eléctrica ya no se centra solo en la generación, distribución y transporte de electricidad a los suscriptores. Ahora, es una red robusta que incluye una red de comunicación de datos. El objetivo de tener una red de comunicación de datos junto con la eléctrica es proporcionar un servicio eficiente desde el centro de control al usuario, así como dar retroalimentación sobre el correcto funcionamiento de las redes de electricidad y datos al centro de control. Como la infraestructura de transporte eléctrico, la red de datos asociada se divide en diferentes subredes. Esta tesis se centra principalmente en la mejora del rendimiento de una de esas subredes, la llamada red de área de vecindad de las redes electrices inteligentes. Las contribuciones se centran en mejorar el enrutamiento de datos, proporcionando una diferenciación del tráfico con la provisión de calidad de servicio (QoS), mecanismos de control de congestión, un sistema de emergencia que trata situaciones anómalas de la red y una distribución justa de los recursos de la red. Varias aplicaciones se transmiten desde los usuarios al centro de control, así como desde el centro de control hacia los usuarios. En general, la comunicación hacia el centro de control implica tareas como la lectura de medidores, los datos de facturación o el consumo de electricidad, mientras que la comunicación hacia los suscriptores permite que la red eléctrica inteligente tome medidas en diferentes situaciones de la red, como picos de energía o situaciones de emergencia. En la primera parte de la tesis, el trabajo se centra en mejorar el mecanismo de enrutamiento. Para hacer esto, se propone un mecanismo de enrutamiento de múltiples rutas, donde los tráficos que son más importantes se transmite a través de los mejores enlaces de comunicación, mientras que los tráficos de menor prioridad se transmiten a través de las rutas con menos reputación (menos métrica de enrutamiento). Para mejorar aun más los beneficios obtenidos, se propone un esquema multicanal para separar tanto el tráfico de control como el tráfico de datos, y utilizar los canales menos congestionados para transmitir los tipos de tráfico más prioritarios. Las redes eléctricas inteligentes ofrecen muchos servicios y algunos de ellos son muy exigentes en términos de QoS. Por lo tanto, las fallas de infraestructura, los ataques y las situaciones de alta congestión pueden reducir en gran medida el rendimiento de la red. Para enfrentar estos problemas, la red debe poder ofrecer una calidad de servicio mínima a las aplicaciones más prioritarias mediante algunas técnicas de control de tráfico. Con este objetivo en mente, en esta tesis también se proponen algunos mecanismos de control de congestión. En el primero de estos mecanismos, cada uno de los nodos de la red decide de manera distribuida e independiente si un paquete debe o no ser retransmitido, dependiendo de las condiciones de la red (principalmente la utilización promedio del canal y la ocupación de los buffers) que el nodo mismo está observando. Es decir, un nodo intermedio puede descartar directamente un paquete de datos si observa que el canal de transmisión se está utilizando por encima de un cierto umbral. Este mecanismo considera nuevamente la existencia de tráficos con diferentes prioridades, de modo que, el tráfico menos prioritario tiene una mayor probabilidad de ser descartado. Además, un sistema de emergencia está acoplado al mecanismo de control de congestión. Con esta estrategia, la NAN puede tomar acciones globales (en poco tiempo) para enfrentar situaciones anómalas, lo que proporciona aún más probabilidad de transmisión para tráficos con mayores requisitos de QoS. Con este fin, también se propone una señalización de emergencia que puede activarse automática o manualmente. Una distribución justa de los recursos de la red también es un campo de investigación importante en las redes eléctricas inteligentes. Tenga en cuenta que, en este escenario, los nodos son estáticos y cada uno de ellos transmite flujos de datos hacia al concentrador de datos. Por lo tanto, dependiendo de su ubicación geográfica, algunos nodos pueden ser más favorecidos que otros. Además, algunos nodos pueden monopolizar los recursos de la red si no están regulados. Por esta razón, en esta tesis se propone otro algoritmo de control de congestión distribuido que se ejecuta en cada nodo. El objetivo aquí es proporcionar una distribución justa de los recursos de la red, independientemente de la posición geográfica y la velocidad de transmisión. Es decir, todos los nodos tendrán las mismas oportunidades para transmitir sus datos al centro de control. La solución propuesta es independiente de la red, mac y capas físicas. La última contribución realizada con esta tesis se centra en la aplicación de técnicas de aprendizaje automático para obtener nuevamente un mejor rendimiento de las redes de datos en estudio. En este sentido, se propone un nuevo mecanismo de control de congestión que, al igual que los anteriores, proporciona diferente calidad de servicio a los flujos de datos con diferentes prioridades. Para esto, se propone un marco completo, que incluye la generación, el preprocesamiento y la evaluación de los datos necesarios para la capacitación de los algoritmos de aprendizaje automático que se utilizarán. La propuesta también se implementa y evalúa en el entorno de Smart Grid NANs

Esquema de controlo para redes multicast baseadas com classes

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaThe expectations of citizens from the Information Technologies (ITs) are increasing as the ITs have become integral part of our society, serving all kinds of activities whether professional, leisure, safety-critical applications or business. Hence, the limitations of the traditional network designs to provide innovative and enhanced services and applications motivated a consensus to integrate all services over packet switching infrastructures, using the Internet Protocol, so as to leverage flexible control and economical benefits in the Next Generation Networks (NGNs). However, the Internet is not capable of treating services differently while each service has its own requirements (e.g., Quality of Service - QoS). Therefore, the need for more evolved forms of communications has driven to radical changes of architectural and layering designs which demand appropriate solutions for service admission and network resources control. This Thesis addresses QoS and network control issues, aiming to improve overall control performance in current and future networks which classify services into classes. The Thesis is divided into three parts. In the first part, we propose two resource over-reservation algorithms, a Class-based bandwidth Over-Reservation (COR) and an Enhanced COR (ECOR). The over-reservation means reserving more bandwidth than a Class of Service (CoS) needs, so the QoS reservation signalling rate is reduced. COR and ECOR allow for dynamically defining over-reservation parameters for CoSs based on network interfaces resource conditions; they aim to reduce QoS signalling and related overhead without incurring CoS starvation or waste of bandwidth. ECOR differs from COR by allowing for optimizing control overhead minimization. Further, we propose a centralized control mechanism called Advanced Centralization Architecture (ACA), that uses a single state-full Control Decision Point (CDP) which maintains a good view of its underlying network topology and the related links resource statistics on real-time basis to control the overall network. It is very important to mention that, in this Thesis, we use multicast trees as the basis for session transport, not only for group communication purposes, but mainly to pin packets of a session mapped to a tree to follow the desired tree. Our simulation results prove a drastic reduction of QoS control signalling and the related overhead without QoS violation or waste of resources. Besides, we provide a generic-purpose analytical model to assess the impact of various parameters (e.g., link capacity, session dynamics, etc.) that generally challenge resource overprovisioning control. In the second part of this Thesis, we propose a decentralization control mechanism called Advanced Class-based resource OverpRovisioning (ACOR), that aims to achieve better scalability than the ACA approach. ACOR enables multiple CDPs, distributed at network edge, to cooperate and exchange appropriate control data (e.g., trees and bandwidth usage information) such that each CDP is able to maintain a good knowledge of the network topology and the related links resource statistics on real-time basis. From scalability perspective, ACOR cooperation is selective, meaning that control information is exchanged dynamically among only the CDPs which are concerned (correlated). Moreover, the synchronization is carried out through our proposed concept of Virtual Over-Provisioned Resource (VOPR), which is a share of over-reservations of each interface to each tree that uses the interface. Thus, each CDP can process several session requests over a tree without requiring synchronization between the correlated CDPs as long as the VOPR of the tree is not exhausted. Analytical and simulation results demonstrate that aggregate over-reservation control in decentralized scenarios keep low signalling without QoS violations or waste of resources. We also introduced a control signalling protocol called ACOR Protocol (ACOR-P) to support the centralization and decentralization designs in this Thesis. Further, we propose an Extended ACOR (E-ACOR) which aggregates the VOPR of all trees that originate at the same CDP, and more session requests can be processed without synchronization when compared with ACOR. In addition, E-ACOR introduces a mechanism to efficiently track network congestion information to prevent unnecessary synchronization during congestion time when VOPRs would exhaust upon every session request. The performance evaluation through analytical and simulation results proves the superiority of E-ACOR in minimizing overall control signalling overhead while keeping all advantages of ACOR, that is, without incurring QoS violations or waste of resources. The last part of this Thesis includes the Survivable ACOR (SACOR) proposal to support stable operations of the QoS and network control mechanisms in case of failures and recoveries (e.g., of links and nodes). The performance results show flexible survivability characterized by fast convergence time and differentiation of traffic re-routing under efficient resource utilization i.e. without wasting bandwidth. In summary, the QoS and architectural control mechanisms proposed in this Thesis provide efficient and scalable support for network control key sub-systems (e.g., QoS and resource control, traffic engineering, multicasting, etc.), and thus allow for optimizing network overall control performance.À medida que as Tecnologias de Informação (TIs) se tornaram parte integrante da nossa sociedade, a expectativa dos cidadãos relativamente ao uso desses serviços também demonstrou um aumento, seja no âmbito das atividades profissionais, de lazer, aplicações de segurança crítica ou negócios. Portanto, as limitações dos projetos de rede tradicionais quanto ao fornecimento de serviços inovadores e aplicações avançadas motivaram um consenso quanto à integração de todos os serviços e infra-estruturas de comutação de pacotes, utilizando o IP, de modo a extrair benefícios económicos e um controlo mais flexível nas Redes de Nova Geração (RNG). Entretanto, tendo em vista que a Internet não apresenta capacidade de diferenciação de serviços, e sabendo que cada serviço apresenta as suas necessidades próprias, como por exemplo, a Qualidade de Serviço - QoS, a necessidade de formas mais evoluídas de comunicação tem-se tornado cada vez mais visível, levando a mudanças radicais na arquitectura das redes, que exigem soluções adequadas para a admissão de serviços e controlo de recursos de rede. Sendo assim, este trabalho aborda questões de controlo de QoS e rede com o objetivo de melhorar o desempenho do controlo de recursos total em redes atuais e futuras, através da análise dos serviços de acordo com as suas classes de serviço. Esta Tese encontra-se dividida em três partes. Na primeira parte são propostos dois algoritmos de sobre-reserva, o Class-based bandwidth Over-Reservation (COR) e uma extensão melhorada do COR denominado de Enhanced COR (ECOR). A sobre-reserva significa a reserva de uma largura de banda maior para o serviço em questão do que uma classe de serviço (CoS) necessita e, portanto, a quantidade de sinalização para reserva de recursos é reduzida. COR e ECOR consideram uma definição dinâmica de sobre-reserva de parâmetros para CoSs com base nas condições da rede, com vista à redução da sobrecarga de sinalização em QoS sem que ocorra desperdício de largura de banda. O ECOR, por sua vez, difere do COR por permitir a otimização com minimização de controlo de overhead. Além disso, nesta Tese é proposto também um mecanismo de controlo centralizado chamado Advanced Centralization Architecture (ACA) , usando um único Ponto de Controlo de Decisão (CDP) que mantém uma visão ampla da topologia de rede e de análise dos recursos ocupados em tempo real como base de controlo para a rede global. Nesta Tese são utilizadas árvores multicast como base para o transporte de sessão, não só para fins de comunicação em grupo, mas principalmente para que os pacotes que pertençam a uma sessão que é mapeada numa determinada árvore sigam o seu caminho. Os resultados obtidos nas simulações dos mecanismos mostram uma redução significativa da sobrecarga da sinalização de controlo, sem a violação dos requisitos de QoS ou desperdício de recursos. Além disso, foi proposto um modelo analítico no sentido de avaliar o impacto provocado por diversos parâmetros (como por exemplo, a capacidade da ligação, a dinâmica das sessões, etc), no sobre-provisionamento dos recursos. Na segunda parte desta tese propôe-se um mecanismo para controlo descentralizado de recursos denominado de Advanced Class-based resource OverprRovisioning (ACOR), que permite obter uma melhor escalabilidade do que o obtido pelo ACA. O ACOR permite que os pontos de decisão e controlo da rede, os CDPs, sejam distribuídos na periferia da rede, cooperem entre si, através da troca de dados e controlo adequados (por exemplo, localização das árvores e informações sobre o uso da largura de banda), de tal forma que cada CDP seja capaz de manter um bom conhecimento da topologia da rede, bem como das suas ligações. Do ponto de vista de escalabilidade, a cooperação do ACOR é seletiva, o que significa que as informações de controlo são trocadas de forma dinâmica apenas entre os CDPs analisados. Além disso, a sincronização é feita através do conceito proposto de Recursos Virtuais Sobre-Provisionado (VOPR), que partilha as reservas de cada interface para cada árvore que usa a interface. Assim, cada CDP pode processar pedidos de sessão numa ou mais árvores, sem a necessidade de sincronização entre os CDPs correlacionados, enquanto o VOPR da árvore não estiver esgotado. Os resultados analíticos e de simulação demonstram que o controlo de sobre-reserva é agregado em cenários descentralizados, mantendo a sinalização de QoS baixa sem perda de largura de banda. Também é desenvolvido um protocolo de controlo de sinalização chamado ACOR Protocol (ACOR-P) para suportar as arquitecturas de centralização e descentralização deste trabalho. O ACOR Estendido (E-ACOR) agrega a VOPR de todas as árvores que se originam no mesmo CDP, e mais pedidos de sessão podem ser processados sem a necessidade de sincronização quando comparado com ACOR. Além disso, E-ACOR introduz um mecanismo para controlar as informações àcerca do congestionamento da rede, e impede a sincronização desnecessária durante o tempo de congestionamento quando os VOPRs esgotam consoante cada pedido de sessão. A avaliação de desempenho, através de resultados analíticos e de simulação, mostra a superioridade do E-ACOR em minimizar o controlo geral da carga da sinalização, mantendo todas as vantagens do ACOR, sem apresentar violações de QoS ou desperdício de recursos. A última parte desta Tese inclui a proposta para recuperação a falhas, o Survivability ACOR (SACOR), o qual permite ter QoS estável em caso de falhas de ligações e nós. Os resultados de desempenho analisados mostram uma capacidade flexível de sobrevivência caracterizada por um tempo de convergência rápido e diferenciação de tráfego com uma utilização eficiente dos recursos. Em resumo, os mecanismos de controlo de recursos propostos nesta Tese fornecem um suporte eficiente e escalável para controlo da rede, como também para os seus principais sub-sistemas (por exemplo, QoS, controlo de recursos, engenharia de tráfego, multicast, etc) e, assim, permitir a otimização do desempenho da rede a nível do controlo global