Advanced Wireless LAN

The past two decades have witnessed starling advances in wireless LAN technologies that were stimulated by its increasing popularity in the home due to ease of installation, and in commercial complexes offering wireless access to their customers. This book presents some of the latest development status of wireless LAN, covering the topics on physical layer, MAC layer, QoS and systems. It provides an opportunity for both practitioners and researchers to explore the problems that arise in the rapidly developed technologies in wireless LAN

ERROR CORRECTION CODE-BASED EMBEDDING IN ADAPTIVE RATE WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS

In this dissertation, we investigated the methods for development of embedded channels within error correction mechanisms utilized to support adaptive rate communication systems. We developed an error correction code-based embedding scheme suitable for application in modern wireless data communication standards. We specifically implemented the scheme for both low-density parity check block codes and binary convolutional codes. While error correction code-based information hiding has been previously presented in literature, we sought to take advantage of the fact that these wireless systems have the ability to change their modulation and coding rates in response to changing channel conditions. We utilized this functionality to incorporate knowledge of the channel state into the scheme, which led to an increase in embedding capacity. We conducted extensive simulations to establish the performance of our embedding methodologies. Results from these simulations enabled the development of models to characterize the behavior of the embedded channels and identify sources of distortion in the underlying communication system. Finally, we developed expressions to define limitations on the capacity of these channels subject to a variety of constraints, including the selected modulation type and coding rate of the communication system, the current channel state, and the specific embedding implementation.Commander, United States NavyApproved for public release; distribution is unlimited

An adaptive social-aware device-to-device communication mechanism for wireless networks

Device-to-Device (D2D) communication is an essential element in 5G networks, which enables users to communicate either directly without network assistance or with minimum signaling through a base station. For an effective D2D communication, related problems in mode and peer selection need to be addressed. In mode selection, the problem is how to guarantee selection always chooses the best available mode. In peer selection, the problem is how to select optimum peers among surrounding peers in terms of connection conditions and social relationships between peers. The main objectives of this research are to identify mode selection between devices and establishing a connection with the best D2D pair connection without privacy leakage. Multi-Attribute Decision Making and Social Choice theories are applied to achieve the objectives. Mode selection scheme is based on Received Signal Strength (RSS), delay and bandwidth attributes to choose and switch among the available modes intelligently based on the highest ranking. Then, the peering selection scheme is proposed using RSS, delay, bandwidth and power attribute to find an optimum peer with concerning social relationship, by evaluating trust level between peers and excluding the untrusted peers from ranking which will increase the optimum quality of D2D connection. The proposed schemes are validated and tested using MATLAB. Two main scenarios, namely crowded network and user speed were considered to evaluate the proposed mechanism with three existing approaches where the selection is based on a single attribute. The obtained results showed that the proposed mechanism outperforms other approaches in terms of delay, signal to noise ratio, delivery ratio and throughput with better performance up to 70%. The proposed mechanism provides a smooth switching between different modes and employs an automatic peering selection with trusted peers only. It can be applied in different types of network that serves the massive number of users with different movement speed of the user

Matching Theory Framework for 5G Wireless Communications

The prevalence of high-performance mobile devices such as smartphones and tablets has brought fundamental changes to the existing wireless networks. The growth of multimedia and location-based mobile services has exponentially increased the network congestion and the demands for more wireless resources. The extremely high computational complexity and communication overhead resulting from the conventional centralized resource management methods are no longer suitable to capture the scale of tomorrow’s wireless networks. As a result, the resource management in next-generation networks is shifting from the centralized optimization to the self-organizing solutions. The goal of this thesis is to demonstrate the effectiveness of matching theory, a powerful operational research framework, for solving the wireless resource allocation problems in a distributed manner. Matching theory, as a Nobel-prize winning framework, has already been widely used in many economic fields. More recently, matching theory has been shown to have a promising potential for modeling and analyzing wireless resource allocation problems due to three reasons: (1) it offers suitable models that can inherently capture various wireless communication features; (2) the ability to use notions, such as preference relations, that can interpret complex system requirements; (3) it provides low-complexity and near-optimal matching algorithms while guaranteeing the system stability. This dissertation provides a theoretical research of implementing the matching theory into the wireless communication fields. The main contributions of this dissertation are summarized as follows. An overview of the basic concepts, classifications, and models of the matching theory is provided. Furthermore, comparisons with existing mathematical solutions for the resource allocation problems in the wireless networks are conducted. Applications of matching theory in the wireless communications are studied. Especially, the stable marriage model, the student project allocation model and so on are introduced and applied to solve the resource allocation problems, such as the device-to-device (D2D) communication, LTE-Unlicensed, and so on. Both theoretical and numerical analysis are provided to show that matching theory can model complex system requirements, and also provide semi-distributive matching algorithms to achieve stable and close-optimal results. The potential and challenges of the matching theory for designing resource allocation mechanisms in the future wireless networks are discussed.Electrical and Computer Engineering, Department o

Computer-network Solutions for Pervasive Computing

Lo scenario delle reti di comunicazione di tipo wireless sta rapidamente evolvendo verso i sistemi pervasivi in cui i dispositivi wireless, di diversi tipi e grandezze, costituiscono parte integrante dell’ambiente in cui sono immersi, ed interagiscono continuamente ed in maniera trasparente con gli utenti che vi vivono o che lo attraversano. Si parla a tal proposito anche di ambienti intelligenti. Seguendo l’evoluzione dai sistemi mobili a quelli pervasivi, questa tesi rivisita diversi tipi di ambienti wireless che si sono sviluppati e diffusi negli ultimi 20 anni: a partire dalle wireless LANs, proseguendo con le reti ad hoc, per finire con le reti opportunistiche. Sebbene molte problematiche delle reti wireless si ripropongano in quasi tutti gli scenari (ad esempio il risparmio energetico), a scenari wireless diversi corrispondono in genere utilizzi differenti e diversi fabbisogni degli utenti, come pure problemi specifici che richiedono soluzioni dedicate. Alcune soluzioni specifiche sono analizzate e proposte in questa tesi. Le reti WLANs basate su infrastruttura sono usate generalmente per fornire accesso alla rete Internet ed infatti lo scenario che le comprende è solitamente riferito come Wireless Internet. Nonostante la presenza dell’infrastruttuta fissa garantisca in generale una trasmissione di dati affidabile, l’utilizzo di questo tipo di reti per fornire esattamente gli stessi tipi di servizi delle reti fisse provoca un elevato consumo di risorse che all’interno delle WLANs sono invece limitate. Inoltre l’utilizzo dei protocolli dello stack TCP/IP sui link wireless è di solito fonte di inefficienze viste le profonde differenze esistenti fra i link wireless e quelli fissi. La progettazione di servizi in uno scenario di wireless Internet ha come primario obiettivo quello di garantire la fruizione da parte degli utenti mobili senza soluzione di continuità, mascherando così la presenza del link wireless che ha banda nominale inferiore rispetto ai link fissi ed è soggetto a maggiori perdite, e supportando la mobilità degli utenti all’interno delle zone di copertura (handoff). La gestione dei servizi di wireless Internet deve sempre essere integrata con soluzioni di risparmio energetico tese ad allungare il più possibile l’autonomia energetica dei dispositivi degli utenti (alimentati a batteria) garantendo così loro un servizio duraturo nel tempo. Abbiamo studiato una soluzione per servizi di streaming audio-video verso terminali mobili in un ambiente di wireless LAN. Oltre a garantire la continuità della riproduzione multimediale con buona qualità, questa soluzione ottimizza il consumo energetico del terminale wireless agendo sulla scheda di rete wireless. Durante lo streaming infatti, la scheda di rete viene periodicamente messa in uno stato a basso consumo energetico (sleep). I periodi di sleep della scheda vengono calcolati adattivamente in funzione dello stato di avanzamento della riproduzione multimediale e della banda disponibile istantaneamente sul canale wireless opportunamente monitorato. Il riposo della scheda di rete non incide sul processo di riproduzione e quindi sulla qualità del servizio percepita dall’utente mobile. A differenza delle WLANs, le reti MANETs sono prive di infrastruttura fissa ed i nodi che vi partecipano si autoconfigurano ed autoorganizzano tra di loro. Le MANETs si mostrano particolarmente adatte ad esigenze temporanee di gruppi di utenti che vogliano condividere dati, scambiarsi messaggi, o altro. Uno dei principali interessi di ricerca nell’ambito delle reti MANETs ha riguardato storicamente lo studio dei protocolli di routing per l’instradamento delle informazioni fra nodi sorgente e nodi destinatari. In una rete MANET infatti, vista l’assenza di infrastruttura, ogni nodo è coinvolto nella funzione di instradamento. Negli ultimi anni tuttavia, un nuovo aspetto di ricerca sta acquistando sempre maggiore attenzione e riguarda la sperimentazione su testbed reali. Le poche esperienze sperimentali eseguite su MANETs hanno dimostrato l’inadeguatezza degli studi di tipo analitico-simulativo nel giudicare l’efficacia delle soluzioni progettate per reti MANETs. Questo è principalmente dovuto al fatto che gli scenari wireless sono estremamente complessi e soggetti a fenomeni di diversa natura che influiscono sulle comunicazioni ma che sono difficilmente condensabili in un modello analitico completo. I modelli esistenti nei simulatori attualmente diffusi sono spesso causa di errori nel validare o al contrario bocciare le soluzioni ed i protocolli testati. Le attività di sperimentazione su testbed reali hanno dunque un duplice scopo: i) validare protocolli e soluzioni proposte attualmente, e ii) gettare le basi per la costruizione di nuovi modelli analitici e simulativi che siano maggiormente attendibili di quelli attuali. L’esperienza condotta su di un testbed reale per reti ad hoc comprendente portatili e palmari fino ad un totale di 12 nodi, ha dimostrato l’efficacia delle implementazioni di due protocolli di routing: AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) ed OLSR (Optimized Link State Routing). Tuttavia, benchè entrambi siano funzionalmente corretti, mostrano comportamenti differenti quando usati per supportare servizi di livello middleware ed applicativi (vedi ad esempio file sharing o trasferimenti ftp). In particolare, i ritardi causati dalla scoperta delle rotte in AODV sono spesso causa di inefficienze o addirittura di interruzione del servizio. OLSR invece, seppure responsabile di un overhead di traffico maggiore, si mostra maggiormente adatto alle interazioni con i servizi dei livelli superiori. Infine, l’esperienza ha dimostrato la necessità di ripensare molti dei servizi disponibili su rete fissa per adeguarli alle caratteristiche delle reti wireless e particolarmente di quelle ad hoc. Una nuova tipologia di reti wireless sta emergendo attualmente e si sta rivelando di particolare interesse: quella delle reti opportunistiche. Le reti opportunistiche non si appoggiano su alcuna infrastruttura fissa, né cercano di autoconfigurarsi in una infrastruttura wireless temporanea costituita da nodi vicini. Sfruttano le opportunità di contatto che si verificano fra i nodi (dispositivi wireless di piccola taglia) trasportati dagli utenti nelle loro attività quotidiane (ad esempio a lavoro, sugli autobus, a scuola o all’università, ecc.). I messaggi sono scambiati ogni qualvolta si renda possibile, ovunque sia possibile ed il successo della loro trasmissione è strettamente legato alle dinamiche sociali in cui sono coinvolti gli utenti che trasportano i dispositivi ed alla storia degli incontri tra individui. Data la mobilità estremamente elevata che caratterizza questo nuovo scenario di reti, e la nota rumorosità delle comunicazioni wireless, l’affidabilità delle trasmissioni emerge come uno dei fattori di principale interesse. Infatti, le comunicazioni possono aver luogo soltanto durante i periodi di contatto tra i nodi e devono essere estremamente veloci ed efficaci. Questo porta a dover fare uno sforzo di progettazione per nuovi protocolli di comunicazione che si diversifichino da quelli oggi più diffusi e basati sulla ritrasmissione dei dati mancanti. Le ritrasmissioni infatti, nella maggior parte dei casi potrebbero non poter essere eseguite per mancanza di tempo. Una strategia valida per gestire l’affidabilità delle comunicazioni opportunistiche in simili scenari estremi (caratterizzati cioè da scarse risorse e scarsa connettività) prevede l’utilizzo combinato di tecniche di codifica dei dati e strategie di instradamento di tipo epidemico. Questo approccio sfrutta la ridondanza sia delle informazioni, sia dei percorsi. La ridondanza delle informazioni dà robustezza a fronte della perdita dei dati in rete poiché è necessario che soltanto un sottoinsieme dei codici generati arrivi a destinazione per consentire al ricostruzione corretta delle informazioni. La ridondanza dei percorsi invece è necessaria poichè non è possibile predirre in anticipo la sequenza dei contatti che può portare i dati a destinazione e pertanto è necessario distribuire l’informazione in più direzioni. Le reti opportunistiche caratterizzate dalla presenza di dispositivi con limitata autonomia energetica e risorse limitate, offrono attualmente lo scenario che meglio traduce il concetto di sistemi pervasivi. Di particolare interesse è il caso delle reti di sensori sparse in cui i sensori sono disposti nell’ambiente con funzione di monitoraggio ed i dati che collezionano vengono raccolti da degli agenti mobili che passano nelle vicinanze e che sono noti come data MULEs. I data MULEs possono utilizzare le informazioni acquisite dai sensori per eseguire applicazioni dipendenti dal contesto o possono semplicemente inoltrarle fino a quando raggiungono l’infrastruttura dove vengono elaborati e memorizzati. Le interazioni fra i sensori immersi nell’ambiente ed i data MULEs sono soltanto un primo passo di un sistema di comunicazione globale completamente opportunistico in cui i data MULEs scambiano l’un l’altro le informazioni che trasportano fino a quando infine, i dati pervengono alle destinazioni più lontane. In questo scenario, le comunicazioni wireless completano naturalmente le interazioni fra gli utenti e si verificano ogni qualvolta gli utenti si incontrano oppure si avvicinano casualmente l’un l’altro, dovunque questa interazione avvenga. Per supportare un simile framework, è necessario sviluppare nuovi paradigmi di comunicazione che tengano in considerazione l’assenza di link stabili tra i nodi che comunicano (connettività intermittente) e che assumano quindi la disponibilità di brevi periodi di contatto per comunicare. Inoltre i nuovi paradigmi di comunicazione devono generalmente assumere l’assenza di un percorso completo fra i nodi sorgente e destinatario e sfruttare invece forme di instradamento delle informazioni che sono simili al modo in cui avvengono le interazioni sociali fra le persone. Strategie di instradamento basate su codifica dei dati offrono una valida soluzione per supportare il framework emergente dei sistemi pervasivi