Cross-Layer Optimal Rate Allocation for Heterogeneous Wireless Multicast

Heterogeneous multicast is an efficient communication scheme especially for multimedia applications running over multihop networks. The term heterogeneous refers to the phenomenon when multicast receivers in the same session require service at different rates commensurate with their capabilities. In this paper, we address the problem of resource allocation for a set of heterogeneous multicast sessions over multihop wireless networks. We propose an iterative algorithm that achieves the optimal rates for a set of heterogeneous multicast sessions such that the aggregate utility for all sessions is maximized. We present the formulation of the multicast resource allocation problem as a nonlinear optimization model and highlight the cross-layer framework that can solve this problem in a distributed ad hoc network environment with asynchronous computations. Our simulations show that the algorithm achieves optimal resource utilization, guarantees fairness among multicast sessions, provides flexibility in allocating rates over different parts of the multicast sessions, and adapts to changing conditions such as dynamic channel capacity and node mobility. Our results show that the proposed algorithm not only provides flexibility in allocating resources across multicast sessions, but also increases the aggregate system utility and improves the overall system throughput by almost 30% compared to homogeneous multicast

A control theoretic approach to achieve proportional fairness in 802.11e EDCA WLANs

This paper considers proportional fairness amongst ACs in an EDCA WLAN for provision of distinct QoS requirements and priority parameters. A detailed theoretical analysis is provided to derive the optimal station attempt probability which leads to a proportional fair allocation of station throughputs. The desirable fairness can be achieved using a centralised adaptive control approach. This approach is based on multivariable statespace control theory and uses the Linear Quadratic Integral (LQI) controller to periodically update CWmin till the optimal fair point of operation. Performance evaluation demonstrates that the control approach has high accuracy performance and fast convergence speed for general network scenarios. To our knowledge this might be the first time that a closed-loop control system is designed for EDCA WLANs to achieve proportional fairness

Resource allocation in networks from a connection-level perspective (Asignación de recursos en redes desde la perspectiva de las conexiones)

En esta tesis, se analizan varios problemas de asignación recursos que surgen en el estudio de los sistemas de telecomunicaciones. En particular, nos centramos en las redes de datos, de los cuales el ejemplo más importante es la Internet global. En este tipo de redes, el recurso escaso que debe ser asignado es la cantidad de ancho de banda de cada conexión curso. Esta asignación realiza en tiempo real por los protocolos subyacentes, que técniamente se encuentran divididos en varios niveles o capas. Desde este punto de vista, la red puede ser pensada como un sistema de control a gran escala, donde cada entidad debe seguir un conjunto dado de leyes de control, a fin de encontrar una asignación adecuada de recursos. Desde el influyente trabajo de Kelly et. al., este problema se ha expresado en términos económicos, dando lugar a la teoría conocida como Network Utility Maximization (maximización de utilidad en redes). Este marco ha demostrado ser una herramienta valiosa para analizar los mecanismos existentes y diseño de protocolos nuevos que mejoran el comportamiento de la red. Proporciona además un vínculo crucial entre el tradicional análisis por capas de los protocolos de red y las técnicas de optimización convexa, dando lugar a lo que se denomina análisis multi-capa de las redes. En este trabajo nos centramos en el análisis de la red desde una perspectiva a nivel de conexiones. En particular, se estudia el desempeño de eficiencia y justicia en la escala de conexiones de varios modelos de asignación de recursos en la red. Este estudio se realiza en varios escenarios: tanto single-path como multi-path (redes con múltiples caminos) así como escenarios cableados e inalámbricos. Se analizan en detalle dos problemas importantes: por un lado, la asignación de los recursos realizada por los protocolos de control de congestión cuando se permiten varias conexiones por usuario. Se identifican algunos problemas del paradigma actual, y se propone un nuevo concepto de \emph{equidad centrada en el usuario}, desarrollando a su vez algoritmos descentralizados que se pueden aplicar en los extremos de la red, y que conducen al sistema a un global adecuado. El segundo problema importante analizado aquí es la asignación de los recursos realizada por los algoritmos de control de congestión cuando trabajan sobre una capa física que permite múltiples velocidades de transmisión como es el caso en las redes inalámbricas. Se demuestra que los algoritmos usuales conducen a ineficiencias importantes desde el punto de vista de las conexiones, y se proponen mecanismos para superar estas ineficiencias y mejorar la asignación de los recursos prestados por dichas redes. A lo largo de este trabajo, se aplican varias herramientas matemáticas, tales como la optimización convexa, la teoría de control y los procesos estocásticos. Por medio de estas herramientas, se construye un modelo del sistema, y se desarrollan leyes de control y algoritmos para lograr el objetivo de desempeño deseado. Como paso final, estos algoritmos fueron probados a través de simulaciones a nivel de paquetes de las redes involucradas, proporcionando la validación de la teoría y la evidencia de que pueden aplicarse en la práctica

AP-STA association control for throughput maximization in virtualized WiFi networks

To manage and enable service customization among multiple internet service providers (ISPs) sharing the common physical infrastructure and network capacity in virtualized Wi-Fi networks, this paper models and optimizes access point-station (STA) association via airtime usage control. More specifically, an optimization problem is formulated on the STAs’ transmission probabilities to maximize the overall network throughput, while providing airtime usage guarantees for the ISPs. As the proposed optimization problem is inherently non-convex, an algorithm to reach the optimal solution is developed by applying monomial approximation and geometric programming iteratively. Based on the proposed 3-D Markov-chain model of the enhanced distributed channel access protocol, the detailed implementation of the optimal transmission probability of each STA is also discussed by manipulating medium access control parameters. The performance of the developed association and airtime control scheme is evaluated through numerical results. For both homogeneous and non-homogeneous STA distributions, numerical results reveal performance gains of the proposed algorithm in improving the throughput and keeping airtime usage guarantees

Maximally Flexible Assignment of Orthogonal Variable Spreading Factor Codes for Multi-Rate Traffic

In universal terrestrial radio access (UTRA) systems, orthogonal variable spreading factor (OVSF) codes are used to support different transmission rates for different users. In this paper, we first define the flexibility index to measure the capability of an assignable code set in supporting multirate traffic classes. Based on this index, two single-code assignment schemes, nonrearrangeable and rearrangeable compact assignments, are proposed. Both schemes can offer maximal flexibility for the resulting code tree after each code assignment. We then present an analytical model and derive the call blocking probability, system throughput and fairness index. Analytical and simulation results show that the proposed schemes are efficient, stable and fair

Overlapped CDMA system in optical packet networks : resource allocation and performance evalutation

Dans cette thèse, la performance du système CDMA à chevauchement optique (OVCDMA) au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) et l'allocation des ressources au niveau de la couche physique (PRY) sont étudiées. Notre but est d'apporter des améliorations pour des applications à débits multiples en répondant aux exigences de délai minimum tout en garantissant la qualité de service (QoS). Nous proposons de combiner les couches PRY et MAC par une nouvelle approche d'optimisation de performance qui consolide l'efficacité potentielle des réseaux optiques. Pour atteindre notre objectif, nous réalisons plusieurs étapes d'analyse. Tout d 'abord, nous suggérons le protocole S-ALOHA/OV-CDMA optique pour sa simplicité de contrôler les transmissions optiques au niveau de la couche liaison. Le débit du réseau, la latence de transmission et la stabilité du protocole sont ensuite évalués. L'évaluation prend en considération les caractéristiques physiques du système OY-CDMA, représentées par la probabilité de paquets bien reçus. Le système classique à traitement variable du gain (YPG) du CDMA, ciblé pour les applications à débits multiples, et le protocole MAC ±round-robin¿ récepteur/émetteur (R31), initialement proposé pour les réseaux par paquets en CDMA optique sont également pris en compte. L'objectif est d ' évaluer comparativement la performance du S-ALOHA/OY-CDMA en termes de l'immunité contre l'interférence d'accès lTIultiple (MAI) et les variations des charges du trafic. Les résultats montrent que les performances peuvent varier en ce qui concerne le choix du taux de transmission et la puissance de transmission optique au niveau de la couche PRY. Ainsi, nous proposons un schéma de répartition optimale des ressources pour allouer des taux de transmission à chevauchement optique et de puissance optique de transmission dans le système OY-CDMA comme des ressources devant être optimalement et équitablement réparties entre les utilisateurs qui sont regroupés dans des classes de différentes qualités de service. La condition d'optimalité est basée sur la maximisation de la capacité par utilisateur de la couche PHY. De ce fait, un choix optimal des ressources physiques est maintenant possible, mais il n'est pas équitable entre les classes. Par conséquent, pour améliorer la performance de la couche liaison tout en éliminant le problème d'absence d'équité, nous proposons comme une approche unifiée un schéma équitable et optimal pour l'allocation des ressources fondé sur la qualité de service pour des multiplexages temporels des réseaux par paquets en CDMA à chevauchement optique. Enfin, nous combinons cette dernière approche avec le protocole MAC dans un problème d'optimisation d'allocation équitable des ressources à contrainte de délai afin de mieux améliorer le débit du réseau et le délai au niveau de la couche liaison avec allocation équitable et optimale des ressources au niveau de la couche PHY

In-Network Congestion Control for Multirate Multicast

We present a novel control scheme that dynamically optimizes multirate multicast. By computing the differential backlog at every node, our scheme adaptively allocates transmission rates per session/user pair in order to maximize throughput. An important feature of the proposed scheme is that it does not require source cooperation or centralized calculations. This methodology leads to efficient and distributed algorithms that scale gracefully and can be embraced by low-cost wireless devices. Additionally, it is shown that maximization of sum utility is possible by the addition of a virtual queue at each destination node of the multicast groups. The virtual queue captures the desire of the individual user and helps in making the correct resource allocation to optimize total utility. Under the operation of the proposed schemes backlog sizes are deterministically bounded, which provides delay guarantees on delivered packets. To illustrate its practicality, we present a prototype implementation in the NITOS wireless testbed. The experimental results verify that the proposed schemes achieve maximum performance while maintaining low complexity.National Science Foundation (U.S.) (grant CNS-0915988)National Science Foundation (U.S.) (grant CNS-1116209)United States. Office of Naval Research (grant N00014-12-1-0064