Optimización en el despliegue de servicios de Voz sobre IP (VoIP) sobre redes WiFi con restricciones de calidad de servicio

Las tecnologías de Voz sobre IP (VoIP) han permitido el despliegue de nuevos servicios de voz a través de Internet durante las dos últimas décadas. Por otro lado, las redes inalámbricas de área local (WLAN) basadas en el estándar IEEE 802.11 (i.e., WiFi) han experimentado un crecimiento de popularidad debido a su bajo coste y flexibilidad. Sin embargo, el despliegue de comunicaciones de VoIP con garantías de calidad sobre redes IEEE 802.11 implica una serie de dificultades (i.e., los paquetes pueden sufrir pérdidas, colisiones, y retardos variables) que no han sido satisfactoriamente resueltas con las técnicas y modelos disponibles en la actualidad. En esta tesis se desarrolla un nuevo modelo analítico de la sub-capa MAC de IEEE 802.11 que permite estimar la calidad y consumo energético de las conversaciones en un escenario realista de VoIP sobre WiFi (VoWiFi). Además, el modelo anterior se utiliza para plantear y resolver dos nuevas aplicaciones de despliegue y optimización de servicios VoWiFi: (a) el despliegue de vehículos aéreos no tripulados (UAVs) para proveer de un servicio de VoWiFi con garantías de calidad a un conjunto de usuarios y, (b) un nuevo mecanismo de control de admisión de llamadas en la red WiFi corporativa y unifica el acceso al servicio tanto para usuarios de terminales cableados como inalámbricos. Validamos el modelo analítico propuesto frente a simulaciones realizadas con el simulador de red ns-3. Los resultados muestran la utilidad del modelo propuesto para predecir las prestaciones (e.g., retardo, pérdidas) y el consumo energético en la tarjeta de red cuando se transmiten flujos de voz sobre IEEE 802.11 en condiciones no ideales. Esta capacidad de predicción ha sido clave en las propuestas realizadas de nuevas aplicaciones. En el caso del despliegue de drones, nos ha permitido definir un nuevo problema de posicionamiento inicial que puede resultar muy práctico en situaciones de rescate al aire libre. En el caso del control de admisión en entornos corporativos, el modelo nos ha permitido predecir la capacidad máxima de flujos de voz que puede ser admitida en la organización para garantizar calidad a las conversaciones existentes. Usando esta capacidad, hemos planteado un algoritmo nuevo que puede ser utilizado para unificar el control de acceso para usuarios WiFi y usuarios de terminales cableados y que aumenta el número de usuarios concurrentes respecto a los algoritmos existentes.Voice over IP (VoIP) technologies have enabled the deployment of new voice services over the Internet during the last two decades. Meanwhile, wireless local area networks (WLAN) based on the IEEE 802.11 standard (i.e., WiFi) have grown in popularity due to their low cost and flexibility. However, the deployment of quality-guaranteed VoIP communications over IEEE 802.11 networks implies a series of technical difficulties (i.e. lost packets, collisions, and delays) that have not been successfully addressed by the techniques and models available today. In this thesis, we develop a new analytical model for the IEEE 802.11 MAC sub-layer that allows one to estimate quality and energy consumption in a realistic VoIP over WiFi (VoWiFi) scenario. In addition, the previous model is used to propose and solve two new applications for the deployment and optimization of VoWiFi services: (a) deploying unmanned aerial vehicles (UAVs) to provide a VoWiFi service under guaranteed quality to a group of ground users and, (b) a new call admission control mechanism for WiFi corporate networks, which unifies the access to the voice service for both wired and wireless terminals. We validate the proposed analytical model against simulation results obtained with the ns-3 network simulator. Results show the accuracy of the proposed model for the prediction of the performance (e.g. delay, losses) and energy consumption of network interfaces when voice flows are transmitted over IEEE 802.11 under non-ideal conditions. This prediction capability has been a key component of the two VoWiFi applications developed. In the UAV deployment, it has allowed us to define a new initial positioning problem that can be very practical in outdoor rescue situations. Regarding admission control in corporate environments, the model has allowed us to predict the maximum capacity of voice flows that can be admitted in the organization to guarantee quality to existing conversations. Using this capability, we have proposed a new algorithm that can be used to unify access control for wireless and wired users, and that increases the number of concurrent users with respect to existing algorithm

Energy-Efficient UAVs Deployment for QoS-Guaranteed VoWiFi Service

This paper formulates a new problem for the optimal placement of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) geared towards wireless coverage provision for Voice over WiFi (VoWiFi) service to a set of ground users confined in an open area. Our objective function is constrained by coverage and by VoIP speech quality and minimizes the ratio between the number of UAVs deployed and energy efficiency in UAVs, hence providing the layout that requires fewer UAVs per hour of service. Solutions provide the number and position of UAVs to be deployed, and are found using well-known heuristic search methods such as genetic algorithms (used for the initial deployment of UAVs), or particle swarm optimization (used for the periodical update of the positions). We examine two communication services: (a) one bidirectional VoWiFi channel per user; (b) single broadcast VoWiFi channel for announcements. For these services, we study the results obtained for an increasing number of users confined in a small area of 100 m2 as well as in a large area of 10,000 m2. Results show that the drone turnover rate is related to both users’ sparsity and the number of users served by each UAV. For the unicast service, the ratio of UAVs per hour of service tends to increase with user sparsity and the power of radio communication represents 14–16% of the total UAV energy consumption depending on ground user density. In large areas, solutions tend to locate UAVs at higher altitudes seeking increased coverage, which increases energy consumption due to hovering. However, in the VoWiFi broadcast communication service, the traffic is scarce, and solutions are mostly constrained only by coverage. This results in fewer UAVs deployed, less total power consumption (between 20% and 75%), and less sensitivity to the number of served users.Junta de Andalucía Beca 2020/00000172Unión Europea FEDER 2014-202

XX Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación - WICC 2018 : Libro de actas

Actas del XX Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación (WICC 2018), realizado en Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura de la Universidad Nacional del Nordeste, los dìas 26 y 27 de abril de 2018.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

XX Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación - WICC 2018 : Libro de actas

Actas del XX Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación (WICC 2018), realizado en Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura de la Universidad Nacional del Nordeste, los dìas 26 y 27 de abril de 2018.Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI