Medium-transparent MAC protocols for converged optical wireless networks

In order to address the explosive demand for high-capacity and omnipresent wireless access, modern cell-based wireless networks are slowly adopting two major solution roadmaps. The first is the employment of small-cell formations in order to increase the overall spectral efficiency, whereas the second is the employment of higher frequency bands, such as the mm-wave 60GHz band, that offers vast amounts of bandwidth. Depending on the specific application, the above solutions inevitably require the installation and operational management of large amounts of Base Stations (BSs) or Access Points (APs), which ultimately diminishes the overall cost-effectiveness of the architecture. In order to reduce the system cost, Radio over Fiber (RoF) technology has been put forward as an ideal candidate solution, due to the fact that it provides functionally simple antenna units, often termed as Remote Antenna Units (RAUs) that are interconnected to a central managing entity, termed as the Central Office (CO), via an optical fiber. Although extensive research efforts have been dedicated to the development of the physical layer aspects regarding RoF technologies, such as CO/RAU physical layer design and radio signal transport techniques over fiber, very limited efforts have con-centrated on upper layer and resource management issues. In this dissertation, we are concerned with access control and resource management of RoF-based mm-wave network architectures targeting the exploitation of the dual medium and its centralized control properties in order to perform optimal optical/wireless/time resource allocation. In this dissertation, we propose a Medium-Transparent MAC (MT-MAC) protocol that concurrently administers the optical and wireless resources of a 60GHz RoF based network, seamlessly connecting the CO to the wireless terminals through minimal RAU intervention. In this way, the MT-MAC protocol forms extended reach 60GHz WLAN networks offering connectivity amongst wireless devices that are attached to the same or different RAUs under both Line of Sight (LOS) and non LOS conditions. The notion of medium-transparency relies on two parallel contention periods, the first in the optical domain and the second in the wireless frequency and time domains, with nested dataframe structures. The MT-MAC operation is based on a proposed RAU design that allows for wavelength selectivity functions, thus being compatible with completely passive optical distribution network implementations that are predominately used by telecom operators today. Two variants of the MT-MAC protocol are considered. The first offers dynamic wavelength allocation with fixed time windows, whereas the second targets fairness-sensitive applications by offering dynamic wavelength allocation with dynamic transmission opportunity window sizes, based on the number of active clients connected at each RAU. Both variants of the protocol are evaluated by both simulation and analytical means. For the latter part, this thesis introduces two analytical models for calculating saturation throughput and non-saturation packet delay for the converged MT-MAC protocol. Finally, this thesis presents an extensive study regarding the network planning and formation of 60GHz Gigabit WLAN networks when the latter are deployed over existing Passive Optical Network (PON) infrastructures. Three possible architectures where studied: i) the RoF approach, ii) the Radio & Fiber approach and iii) the hybrid RoF-plus-R&F approach that combines the properties of both the aforementioned architectures. During the elaboration of this thesis, one major key conclusion has been extracted. The work proposed in this thesis considers that there is a fundamental requirement for implementing new converged optical/wireless MAC protocols, that have the complete overview of both available resources in order to effectively administer the hybrid Radio-over-Fiber networks.A fin de atender la demanda explosiva de alta capacidad y acceso inalámbrico omnipresente, las redes inalámbricas basadas en celdas están poco a poco adoptando dos principales guías de solución. La primera es el empleo de formaciones de celdas pequeñas con el fin de aumentar la eficiencia espectral global, mientras que la segunda es el empleo de bandas de frecuencia superior, como la banda de 60GHz, la cual ofrece una gran cantidad de ancho de banda. Dependiendo de la aplicación en específico, las soluciones anteriores inevitable-mente requieren de una instalación y una gestión operativa de grandes cantidades de Estaciones Base o Puntos de Acceso, que en última instancia disminuye la rentabilidad de la arquitectura. Para reducir el coste, la tecnología radioeléctrica por fibra (RoF) se presenta como una solución ideal debido al hecho de que proporciona unidades de antenas de sim-ple funcionamiento, a menudo denominadas Unidades de Antenas Remotas (RAUs), las cuales están interconectadas a una entidad central de gestión, denominada Oficina Central (CO), a través de la fibra óptica. A pesar de que se han dedicado muchos esfuerzos de investigación al desarrollo de varios aspectos de las capas física con respecto a las tecnologías RoF, muy pocos esfuerzos se han concentrado en la capa superior y cuestiones de gestión de recursos. En esta tesis, nos enfocando en el control de acceso y gestión de recursos de arquitecturas RoF y comunicaciones milimétricas, con el fin de aprovechar y explotar el medio dual y las propiedades para realizar una óptima asignación de los recursos ópticos, inalámbricos y temporales. Nosotros proponemos un protocolo Transparente al Medio MAC (MT-MAC) que simultáneamente administre los recursos ópticos e inalámbricos de una red RoF a 60GHz, conectando a la perfección el CO a los terminales inalámbricos a través de una mínima intervención RAU. El protocolo MT-MAC forma unas redes WLAN 60GHz de alcance extendido, ofreciendo así conectividad entre los dispositivos inalámbricos que están conectados al mismo o diferentes RAUs bajo con o sin Línea de Vista (condiciones LOS o NLOS) respectivamente. La noción de transparencia al medio se basa en dos períodos de contención para-lelos, el primero en el dominio óptico y el segundo en la frecuencia inalámbrica y dominio del tiempo, con estructuras de datos anidados. La operación MT-MAC se basa en proponer un diseño RAU que permita la selectividad de funciones de longitud de onda. Dos variantes del protocolo MT- MAC son considerados; el primer ofrece asignación de longitud de onda dinámica con ventanas de tiempo fijo, mientras que la segunda tiene como objetivo entornos de aplicaciones sensibles ofreciendo asignación de longitud de onda con tamaño de ventana de oportunidad de transmisión dinámico, basado en el número de clientes conectados en cada RAU. Ambas variantes del protocolo están evaluadas tanto por medios analíticos como de simulación. En la segunda parte, esta tesis introduce dos modelos analíticos para calcular el rendimiento de saturación y no saturación del retardo de paquetes para el protocolo MT-MAC convergente. Finalmente, esta tesis presenta un extenso estudio de la planificación de red y la formación de redes 60GHz Gigabit WLAN cuando esta se encuentra desplegada sobre las ya existente infraestructuras de Redes Ópticas Pasivas (PONs). Tres posibles arquitecturas han sido estudiadas: i) el enfoque RoF, ii) el enfoque Radio y Fibra , y iii) el enfoque híbrido, RoF más R&F el cual combina las propiedades de ambas arquitecturas anteriormente mencionadas. Durante la elaboración de esta tesis, se ha extraído una importante conclusión: hay un requerimiento fundamental para implementar nuevos protocolos ópticos/inalámbricos convergentes, que tengan una completa visión de ambos recursos disponibles para poder administrar efectivamente las redes de tecnología RoF.Postprint (published version

Peer-to-peer television for the IP multimedia subsystem

Peer-to-peer (P2P) video streaming has generated a significant amount of interest in both the research community and the industry, which find it a cost-effective solution to the user scalability problem. However, despite the success of Internet-based applications, the adoption has been limited for commercial services, such as Internet Protocol Television (IPTV). With the advent of the next-generation-networks (NGN) based on the IP Multimedia Subsystem (IMS), advocating for an open and inter-operable architecture, P2P emerges as a possible alternative in situations where the traditional mechanisms are not possible or economically feasible. This work proposes a P2P IPTV architecture for an IMS-based NGN, called P2PTV, which allows one or more service providers to use a common P2P infrastructure for streaming the TV channels to their subscribers. Instead of using servers, we rely on the uploading capabilities of the user equipments, like set-top boxes, located at the customers’ premise. We comply with the existing IMS and IPTV standards from the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) and the Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN) bodies, where a centralized P2PTV application server (AS) manages the customer access to the service and the peer participation. Because watching TV is a complex and demanding user activity, we face two significant challenges. The first is to accommodate the mandatory IMS signaling, which reserves in the network the necessary QoS resources during every channel change, establishing a multimedia session between communicating peers. The second is represented by the streaming interruptions, or churn, when the uploading peer turns off or changes its current TV channel. To tackle these problems, we propose two enhancements. A fast signaling method, which uses inactive uploading sessions with reserved but unused QoS, to improve the tuning delay for new channel users. At every moment, the AS uses a feedback based algorithm to compute the number of necessary sessions that accommodates well the demand, while preventing the over-reservation of resources. We approach with special care mobility situations, where a proactive transfer of the multimedia session context using the IEEE 802.21 standard offers the best alternative to current methods. The second enhancement addresses the peer churn during channel changes. With every TV channel divided into a number of streams, we enable peers to download and upload streams different from their current channel, increasing the stability of their participation. Unlike similar work, we benefit from our estimation of the user demand and propose a decentralized method for a balanced assignment of peer bandwidth. We evaluate the performance of the P2PTV through modeling and large-scale computer simulations. A simpler experimental setting, with pure P2P streaming, indicates the improvements over the delay and peer churn. In more complex scenarios, especially with resource-poor peers having a limited upload capacity, we envision P2P as a complementary solution to traditional approaches like IP multicast. Reserving P2P for unpopular TV channels exploits the peer capacity and prevents the necessity of a large number of sparsely used multicast trees. Future work may refine the AS algorithms, address different experimental scenarios, and extend the lessons learned to non-IMS networks. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------La transmisión de vídeo con tecnologías peer-to-peer (P2P) ha generado un gran interés, tanto en la industria como en la comunidad científica, quienes han encontrado en dicha unión la solución para afrontar los problemas de escalabilidad de la transmisión de vídeo, reduciendo al mismo tiempo sus costes. A pesar del éxito de estos mecanismos en Internet, la transmisión de vídeo mediante técnicas P2P no se ha utilizado en servicios comerciales como puede ser el de televisión por IP (IPTV). Con la aparición de propuestas de redes de próxima generación basadas en el IP Multimedia Subsystem (IMS), que permite una arquitectura abierta e interoperable, los mecanismos basados en P2P emergen como posibles alternativas en situaciones donde los mecanismos tradicionales de transmisión de vídeo no se pueden desplegar o no son económicamente viables. Esta tesis propone una arquitectura de servicio de televisión peer-to-peer para una red de siguiente generación basada en IMS, que abreviaremos como P2PTV, que permite a uno o más proveedores de servicio utilizar una infraestructura P2P común para la transmisión de canales de TV a sus suscriptores. En vez de utilizar varios servidores, proponemos utilizar la capacidad de envío de los equipos de usuario, como los set-top boxes, localizados en el lado del cliente. En esta tesis extendemos los trabajos de estandarización sobre IMS IPTV de los organismos 3rd Generation Partnership Project (3GPP) y del Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN), donde un servidor de aplicación (AS) central de P2PTV administra el acceso de los clientes al servicio y permite compartir los recursos de los equipos. Debido a que el acceso a los canales de TV por parte de los usuarios es una actividad compleja, nos enfrentamos a dos retos importantes. El primero es administrar la señalización de IMS, con la cual se reservan los recursos de QoS necesarios durante cada cambio de canal, estableciendo una sesión multimedia entre los diferentes elementos de la comunicación. El segundo está representado por las interrupciones de la reproducción de video, causado por los equipos que sirven dicho vídeo cuando estos se desconectan del sistema o cuando cambian de canal. Para afrontar estos retos, proponemos dos mejoras al sistema. La primera mejora introduce el método de señalización rápida, en la cual se utilizan sesiones multimedia inactivas pero con recursos reservados para acelerar las conexiones entre usuarios. En cada momento, el AS utiliza la información extraída del algoritmo propuesto, que calcula el número de sesiones necesarias para administrar la demanda de conexiones, pero sin realizar una sobre-estimación, manteniendo bajo el uso de los recursos. Hemos abordado con especial cuidado la movilidad de los usuarios, donde se ha propuesto una transferencia de sesión pro-activa utilizando el estándar IEEE 802.21, el cual brinda una mejor alternativa que los métodos propuestos hasta la fecha. La segunda mejora se enfoca en las desconexiones de usuarios durante cambios de canal. Dividiendo los canales de TV en varios segmentos, permitimos a los equipos descargar o enviar diferentes partes de cualquier canal, aumentando la estabilidad de su participación. A diferencia de otros trabajos, nuestra propuesta se beneficia de la estimación de la demanda futura de los usuarios, proponiendo un método descentralizado para una asignación balanceada del ancho de banda de los equipos. Hemos evaluado el rendimiento del sistema P2PTV a través de modelado y de simulaciones de ordenador en sistemas IPTV de gran escala. Una configuración simple, con envío P2P puro, indica mejoras en el retardo y número de desconexiones de usuarios. En escenarios más complejos, especialmente con equipos con pocos recursos en la subida, sugerimos el uso de P2P como una solución complementaria a las soluciones tradicionales de multicast IP. Reservando el uso de P2P para los canales de TV poco populares, se permite explotar los recursos de los equipos y se previene la necesidad de un alto número de árboles multicast dispersos. Como trabajo futuro, se propone refinar los algoritmos del AS, abordar diferentes escenarios experimentales y también extender las lecciones aprendidas en esta tesis a otros sistemas no basados en IMS

Actas da 10ª Conferência sobre Redes de Computadores

Universidade do MinhoCCTCCentro AlgoritmiCisco SystemsIEEE Portugal Sectio