Design of interface selection protocols for multi-homed wireless networks

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University on 10 December 2010.The IEEE 802.11/802.16 standards conformant wireless communication stations have multi-homing transmission capability. To achieve greater communication efficiency, multi-homing capable stations use handover mechanism to select appropriate transmission channel according to variations in the channel quality. This thesis presents three internal-linked handover schemes, (1) Interface Selection Protocol (ISP), belonging to Wireless Local Area Network (WLAN)- Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) environment (2) Fast Channel Scanning (FCS) and (3) Traffic Manager (TM), (2) and (3) belonging to WiMAX Environment. The proposed schemes in this thesis use a novel mechanism of providing a reliable communication route. This solution is based on a cross-layer communication framework, where the interface selection module uses various network related parameters from Medium Access Control (MAC) sub-layer/Physical Layer (PHY) across the protocol suite for decision making at the Network layer. The proposed solutions are highly responsive when compared with existing multi-homed schemes; responsiveness is one of the key factors in the design of such protocols. Selected route under these schemes is based on the most up to date link-layer information. Therefore, such a route is not only reliable in terms of route optimization but it also fulfils the application demands in terms of throughput and delay. Design of ISP protocol use probing frames during the route discovery process. The 802.11 mandates the use of different rates for data transmission frames. The ISP-metric can be incorporated into various routing aspects and its applicability is determined by the possibility of provision of MAC dependent parameters that are used to determine the best path metric values. In many cases, higher device density, interference and mobility cause variable medium access delays. It causes creation of ‘unreachable zones’, where destination is marked as unreachable. However, by use of the best path metric, the destination has been made reachable, anytime and anywhere, because of the intelligent use of the probing frames and interface selection algorithm implemented. The IEEE 802.16e introduces several MAC level queues for different access categories, maintaining service requirement within these queues; which imply that frames from a higher priority queue, i.e. video frames, are serviced more frequently than those belonging to lower priority queues. Such an enhancement at the MAC sub-layer introduces uneven queuing delays. Conventional routing protocols are unaware of such MAC specific constraints and as a result, these factors are not considered which result in channel performance degradation. To meet such challenges, the thesis presents FCS and TM schemes for WiMAX. For FCS, Its solution is to improve the mobile WiMAX handover and address the scanning latency. Since minimum scanning time is the most important issue in the handover process. This handover scheme aims to utilize the channel efficiently and apply such a procedure to reduce the time it takes to scan the neighboring access stations. TM uses MAC and physical layer (PHY) specific information in the interface metric and maintains a separate path to destination by applying an alternative interface operation. Simulation tests and comparisons with existing multi-homed protocols and handover schemes demonstrate the effectiveness of incorporating the medium dependent parameters. Moreover, show that suggested schemes, have shown better performance in terms of end-to-end delay and throughput, with efficiency up to 40% in specific test scenarios

A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica

High Performance WLAN Using Smart Antenna

The need for higher data rates in WLANs boosts drastically because tremendous consumer interest in emerging multimedia applications, such as HDTV, has been increased. Currently, the IEEE 802.11a/b/g WLANs provide a limited data rate for the current user application requirements. In order to overcome substantial limitations of the existing WLANs, the next generation of WLANs, IEEE 802.11n, is in the course of development and expected to support higher throughput, larger coverage area and better QoS. The high performance IEEE 802.11n WLAN can improve data rate significantly by using smart antenna systems in the physical layer to take advantage of multi-path fading of wireless channels. In this thesis, an analytical model is developed to study the MAC performance and the underlying smart antenna technologies used in multi-path fading channels. Multiple antennas employed in the AP arise two popular approaches to provide a significant performance improvement, diversity and multiplexing. Considering the diversity gain of multiple antennas at the AP in which the AP with multiple antennas serves one user at a time, the capacity and throughput can be obtained. In addition, the AP is possible to serve multiple users in the downlink, by exploiting the multiplexing gain of the wireless channel. We investigate the maximum network throughput when the traffic intensity of the AP approaches to one. Unlike most of previous research which focus on either the physical or the MAC layer performance, our analytical model jointly considers the MAC protocol and the smart antenna technology