FastM: Design and Evaluation of a Fast Mobility Mechanism for Wireless Mesh Networks

Although there is a large volume of work in the literature in terms of mobility approaches for Wireless Mesh Networks, usually these approaches introduce high latency in the handover process and do not support realtime services and applications. Moreover, mobility is decoupled from routing, which leads to inefficiency to both mobility and routing approaches with respect to mobility. In this paper we present a new extension to proactive routing protocols using a fast mobility extension, FastM, with the purpose of increasing handover performance in Wireless Mesh Networks. With this new extension, a new concept is created to integrate information between neighbor wireless mesh routers, managing locations of clients associated to wireless mesh routers in a certain neighborhood, and avoiding packet loss during handover. The proposed mobility approach is able to optimize the handover process without imposing any modifications to the current IEE 802.11 MAC protocol and use unmodified clients. Results show the improved efficiency of the proposed scheme: metrics such as disconnection time, throughput, packet loss and control overhead are largely improved when compared to previous approaches. Moreover, these conclusions apply to mobility scenarios, although mobility decreases the performance of the handover approach, as expected

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

Controlo de congestionamento em redes sem fios

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaCongestion control in wireless networks is an important and open issue. Previous research has proven the poor performance of the Transport Control Protocol (TCP) in such networks. The factors that contribute to the poor performance of TCP in wireless environments concern its unsuitability to identify/detect and react properly to network events, its TCP window based ow control algorithm that is not suitable for the wireless channel, and the congestion collapse due to mobility. New rate based mechanisms have been proposed to mitigate TCP performance in wired and wireless networks. However, these mechanisms also present poor performance, as they lack of suitable bandwidth estimation techniques for multi-hop wireless networks. It is thus important to improve congestion control performance in wireless networks, incorporating components that are suitable for wireless environments. A congestion control scheme which provides an e - cient and fair sharing of the underlying network capacity and available bandwidth among multiple competing applications is crucial to the definition of new e cient and fair congestion control schemes on wireless multi-hop networks. The Thesis is divided in three parts. First, we present a performance evaluation study of several congestion control protocols against TCP, in wireless mesh and ad-hoc networks. The obtained results show that rate based congestion control protocols need an eficient and accurate underlying available bandwidth estimation technique. The second part of the Thesis presents a new link capacity and available bandwidth estimation mechanism denoted as rt-Winf (real time wireless inference). The estimation is performed in real-time and without the need to intrusively inject packets in the network. Simulation results show that rt-Winf obtains the available bandwidth and capacity estimation with accuracy and without introducing overhead trafic in the network. The third part of the Thesis proposes the development of new congestion control mechanisms to address the congestion control problems of wireless networks. These congestion control mechanisms use cross layer information, obtained by rt-Winf, to accurately and eficiently estimate the available bandwidth and the path capacity over a wireless network path. Evaluation of these new proposed mechanisms, through ns-2 simulations, shows that the cooperation between rt-Winf and the congestion control algorithms is able to significantly increase congestion control eficiency and network performance.O controlo de congestionamento continua a ser extremamente importante quando se investiga o desempenho das redes sem fios. Trabalhos anteriores mostram o mau desempenho do Transport Control Proto- col (TCP) em redes sem fios. Os fatores que contribuem para um pior desempenho do TCP nesse tipo de redes s~ao: a sua falta de capacidade para identificar/detetar e reagir adequadamente a eventos da rede; a utilização de um algoritmo de controlo de uxo que não é adequado para o canal sem fios; e o colapso de congestionamento devido á mobilidade. Para colmatar este problemas foram propostos novos mecanismos de controlo de congestionamento baseados na taxa de transmissão. No entanto, estes mecanismos também apresentam um pior desempenho em redes sem fios, já que não utilizam mecanismos adequados para a avaliação da largura de banda disponível. Assim, é importante para melhorar o desempenho do controlo de congestionamento em redes sem fios, incluir componentes que são adequados para esse tipo de ambientes. Um esquema de controlo de congestionamento que permita uma partilha eficiente e justa da capacidade da rede e da largura de banda disponível entre múltiplas aplicações concorrentes é crucial para a definição de novos, eficientes e justos mecanismos de controlo congestionamento para as redes sem fios. A Tese está dividida em três partes. Primeiro, apresentamos um estudo sobre a avaliação de desempenho de vários protocolos de controlo de congestionamento relativamente ao TCP, em redes sem fios em malha e ad-hoc. Os resultados obtidos mostram que os protocolos baseados na taxa de transmissão precisam de uma técnica de avaliação da largura de banda disponível que seja eficiente e precisa . A segunda parte da Tese apresenta um novo mecanismo de avaliação da capacidade da ligação e da largura de banda disponível, designada por rt-Winf (real time wireless inference). A avaliação é realizada em tempo real e sem a necessidade de inserir tráfego na rede. Os resultados obtidos através de simulação e emulação mostram que o rt-Winf obtém com precisão a largura de banda disponível e a capacidade da ligação sem sobrecarregar a rede. A terceira parte da Tese propõe novos mecanismos de controlo de congestionamento em redes sem fios. Estes mecanismos de controlo de congestionamento apresentam um conjunto de caracter ísticas novas para melhorar o seu desempenho, de entre as quais se destaca a utilização da informação de largura de banda disponível obtida pelo rt-Winf. Os resultados da avaliação destes mecanismos, utilizando o simulador ns-2, permitem concluir que a cooperação entre o rt-Winf e os algoritmos de controlo de congestionamento aumenta significativamente o desempenho da rede

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

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

A Survey on Scheduling in IEEE 802.16 Mesh Mode

Cataloged from PDF version of article.IEEE 802.16 standard (also known as WiMAX) defines the wireless broadband network technology which aims to solve the so called last mile problem via providing high bandwidth Internet even to the rural areas for which the cable deployment is very costly. The standard mainly focuses on the MAC and PHY layer issues, supporting two transmission modes: PMP (Point-to-Multipoint) and mesh modes. Mesh mode is an optional mode developed as an extension to PMP mode and it has the advantage of having an improving performance as more subscribers are added to the system using multi-hop routes. In 802.16 MAC protocol, mesh mode slot allocation and reservation mechanisms are left open which makes this topic a hot research area. Hence, the focus of this survey will mostly be on the mesh mode, and the proposed scheduling algorithms and performance evaluation methods

A testbed based performance evaluation of smart grid wireless neighborhood area networks routing protocols

Smart Grid networks have a data communication network associated with the electrical energy distribution infrastructure. This network connects all the sub- scribers’ homes with the data control centers of the supplying companies, which in turn have access to the global Internet network. They are in charge of transporting the needed information between the elements that comprise the electricity network and the control centers. A part of these networks is the so-called Neighborhood Area Networks (NANs), which transports the data from the subscriber’s home to some data concentrators. This article presents a comparison of the performance of different routing protocols that can be used in this part of the data network, when a wireless technology is selected. For this comparison, a hardware testbed has been implemented, with a simple initial configuration, which allows the comparison of the OLSR v1, OLSR v2 and HWMP protocols. The numerical results are presented in terms of network throughput, protocol overhead, number of retransmissions, net- work transit and packet transfer times.This work was supported by the Spanish Research Council under project MAGOS (TEC2017-84197-C4-3-R), and Juan Pablo Astudillo León is the recipient of a full scholarship from the Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT), Ecuador.Peer ReviewedPostprint (published version

J-CAR: An efficient channel assignment and routing protocol for multi-channel multi-interface mobile ad hoc networks

In Session: Wireless Ad Hoc and Sensor Networks towards Anytime Anywhere Internetworking: WSN-15: Resource Allocation: article no. WSN15-2We propose an efficient joint channel assignment and routing protocol (J-CAR) for multi-channel multi-interface mobile ad hoc networks (MANETs). Aiming at overcoming the limitations of the existing channel assignment and routing algorithms, J-CAR negotiates a channel at each active link during the route setup process. It has the following major features: a) a pre-determined common control channel is used by every node for routing and channel negotiation; b) control packets for data transmission (RTS, CTS & ACK) are carried by the associated data channels; c) the spare capacity on the control channel can be used for data transmission; d) an interface is free to change its working modes between send and receive; and e) an interface can tune to any data channels for data sending or receiving at the cost of switching overhead. With J-CAR, a more flexible assignment of interfaces, channels, and the working mode of each interface can be rendered. The performance gain brought by J-CAR is substantiated by extensive simulation results. © 2006 IEEE.published_or_final_versionProceedings of the Global Telecommunications Conference, 2006 (GLOBECOM 2006), San Francisco, CA, USA, 27 November - 1 December 200