ESTUDIO DEL EFECTO DE FACTORES EXTERNOS SOBRE LAS REDES WLAN Y DISEÑO DE UN ALGORITMO COGNITIVO ENERGÉTICAMENTE EFICIENTE

[EN] Nowadays there are many works which analyze and seek to improve the performance of Wireless Local Area Networks (WLANs) from different perspectives. A great deal of them is focused on design aspects, such as frequency distribution or channel assignment. Therefore, as these features have already been widely studied, my efforts have been directed to study other conditions that also could affect their performance and that have not been analyzed in depth yet. The main goal of this Ph.D. dissertation has been to perform a detailed study that researches the weather's impact on the performance of WLANs IEEE 802.11b/g. Two different WLAN scenarios have been analyzed to validate the results and to find precise relations. From conclusions of these previous analysis, the second objective has been to design a cognitive protocol that based on weather conditions and network performance parameters, allows networks to adjust their transmission features in order to overcome such impact. In order to conduct this study, firstly it was necessary to study which statistical methods could be used to extract the level of correlation between performance parameters of networks and weather conditions running at the same time. Secondly, I had to know which performance parameters the outdoor WLAN of Universitat Politècnica de València (UPV) could provide, and select them according to my objective. Then, I defined the period of time in which these parameters were gathered periodically. The next step was to select and collect the weather conditions from a close weather station during the same period of time. Finally, I had to perform a detailed pre-processing to put all of the volume of data in order and data were statistically analyzed. Results were successful; however there were several problems due to the variability derived from a real WLAN scenario. Therefore, an experimental setup was required in order to check the obtained results. It entailed to design and to develop an outdoor point-to-multipoint IEEE 802.11b/g link and to analyze again the weather's impact. Multiple points were considered in order to take into account different distances in the performed evaluation and to examine the behavior of different modulation schemes working under the same weather conditions. From these results, a cognitive algorithm was designed in order to reduce the weather's impact on IEEE 802.11b/g networks. One key aspect was to ensure it was energy efficient. This protocol was simulated and the obtained results were satisfactory in terms of both energy efficiency and network performance. To conclude, other external factor to WLANs studied in this Ph.D thesis has been the specific absorption rate. It deals with a current public health worry because it is used to measure the body tissue exposure to electromagnetic fields. Obviously, signal absorption by human bodies affects to the performance of WLANs and so, this parameter should be also taken into account when deploying efficient networks. For this reason, this study has been also included in this thesis.[ES] Hoy en día existen muchos trabajos que analizan e intentan mejorar el rendimiento de las redes de área local inalámbricas desde diferentes perspectivas. Gran parte de estos trabajos se centran en aspectos de diseño, como son la distribución de frecuencias o la asignación de canales. Por lo tanto, como estos aspectos ya han sido ampliamente estudiados, los esfuerzos de esta tesis se han dirigido a estudiar otros factores que también podrían afectar a su rendimiento y que no han sido analizadas en profundidad todavía. El objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido realizar un estudio detallado que analice el impacto de las condiciones meteorológicas sobre el rendimiento de las redes IEEE 802.11b/g. Para realizar este estudio, se han analizado dos escenarios reales con el fin de verificar los resultados y encontrar relaciones precisas. A partir de las conclusiones de estos análisis previos, el segundo objetivo ha sido diseñar un algoritmo cognitivo que, en base a las condiciones meteorológicas y a los parámetros de rendimiento de red, permita a las redes ajustar sus características de transmisión con el fin de superar tal impacto. Con el fin de llevar a cabo este estudio, primero fue necesario estudiar qué métodos estadísticos podían ser utilizados para extraer el nivel de correlación entre los parámetros de rendimiento de las redes y las condiciones meteorológicas del entorno. En segundo lugar, se tuvo que analizar qué parámetros de rendimiento de red se podían extraer de la red exterior de la UPV y seleccionarlos de acuerdo con el objetivo perseguido. A continuación, se definió el periodo de tiempo durante el cual se almacenarían los parámetros seleccionados de forma periódica. El siguiente paso fue seleccionar y almacenar las condiciones meteorológicas de una estación cercana durante el mismo periodo de tiempo. Finalmente, se realizó un preprocesado detallado con el fin de poner en orden todo el volumen de datos y se analizaron estadísticamente. Los resultados fueron exitosos, sin embargo aparecieron varios problemas por el hecho de estudiar una red real muy variable. Por lo tanto, se tuvo que desarrollar un escenario experimental con el fin de verificar los resultados. Para ello se diseñó y desarrolló un enlace exterior IEEE 802.11b/g punto a multipunto, y se analizó de nuevo el impacto de las condiciones meteorológicas. Se consideró un enlace multipunto para analizar también cómo influía el impacto del tiempo según la distancia y los diferentes esquemas de modulación. A partir de los resultados, se diseñó un algoritmo cognitivo energéticamente eficiente con el fin de reducir el impacto de los fenómenos meteorológicos en las redes IEEE 802.11b/g. Dicho algoritmo ha sido simulado y los resultados obtenidos han sido satisfactorios, tanto en términos de eficiencia energética como de rendimiento de la red. Para concluir, otro factor externo que se ha estudiado en esta tesis ha sido la tasa de absorción específica. Este parámetro está relacionado con una de las grandes preocupaciones actuales en cuanto a salud pública, ya que se utiliza para medir la exposición de los tejidos del cuerpo humano a los campos electromagnéticos. Obviamente, la absorción de señal por parte del cuerpo humano afecta a las redes y, por lo tanto, este parámetro se debería tener en cuenta a la hora de diseñar redes eficientes. Por esta razón se ha incluido en esta tesis doctoral.[CA] Actualment hi ha molts treballs que analitzen i intenten millorar el rendiment de les xarxes d'àrea local sense fils des de diferents perspectives. Gran part d'aquests treballs es focalitzen en aspectes de disseny, com són la distribució de freqüències o l'assignació de canals. Per tant, com aquests aspectes ja han sigut àmpliament estudiats, els esforços d'aquesta tesi doctoral s'han dirigit a estudiar altres factors que també podrien afectar al seu rendiment i que encara no han sigut analitzats amb profunditat. L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral ha sigut realitzar un estudi minuciós per analitzar l'impacte de les condicions meteorològiques sobre el rendiment de les xarxes IEEE 802.11b/g. Per a realitzar aquest estudi s'han analitzat dos escenaris reals per tal de verificar els resultats i trobar relacions precises. A partir de les conclusions d'aquests anàlisis previ, el següent objectiu ha sigut dissenyar un algoritme cognitiu que, en base a les condicions meteorològiques i als paràmetres de rendiment de la xarxa, permeti a les xarxes ajustar les seues característiques de transmissió per tal de superar tal impacte. Per tal de dur a terme aquest estudi, primer va ser necessari estudiar quins mètodes estadístics podien ser utilitzats per extraure el nivell de correlació entre els paràmetres de rendiment de les xarxes i les condicions meteorològiques de l'entorn. En segon lloc, es va haver d'analitzar quins paràmetres de rendiment es podien extraure de la xarxa exterior de la UPV i es van seleccionar d'acord a l'objectiu plantejat. A continuació, es va definir el període temporal al llarg del qual s'emmagatzemarien els paràmetres seleccionats de manera periòdica. El següent pas va ser seleccionar i emmagatzemar les condicions meteorològiques d'una estació propera durant el mateix període de temps. Finalment, es va realitzar un preprocessat per tal de posar en ordre tot el volum de dades i es van analitzar estadísticament. Els resultats van ser exitosos, però van aparèixer diversos problemes pel fet d'estudiar una xarxa real molt variable. Per tant, es va haver de desenvolupar un escenari experimental amb l'objectiu de verificar els resultats. Per aquesta raó es va dissenyar i implementar un enllaç exterior IEEE 802.11b/g punt a multipunt, i es va analitzar de nou l'impacte de les condicions meteorològiques. Es va considerar un enllaç multipunt per tal de d'analitzar també com influïa el impacte del temps segons la distància i els diferents esquemes de modulació. A partir d'aquests resultats, es va dissenyar un algoritme cognitiu energèticament eficient per tal de reduir l'impacte dels fenòmens meteorològics sobre les xarxes IEEE 802.11b/g. Aquest algoritme va ser simulat i els resultats obtinguts van ser satisfactoris, tant en termes d'eficiència energètica com de rendiment de la xarxa. va comprovar que la proposta aporta millores. Per concloure, un altre factor extern que s'ha estudiat en aquesta tesi doctoral ha sigut la taxa d'absorció específica. Aquest paràmetre està relacionat amb una de les preocupacions actuals pel que fa a la salut pública, ja que s'utilitza per a mesurar l'exposició dels teixits del cos humà als camps electromagnètics. Òbviament, aquesta absorció de la senyal afecta el rendiment de les xarxes i, per això, aquest paràmetre s'hauria de tenir en compte a l'hora d'implementar futures xarxes sense fils eficients. Per aquesta raó s'ha inclòs en aquesta tesi doctoral.Bri Molinero, D. (2015). ESTUDIO DEL EFECTO DE FACTORES EXTERNOS SOBRE LAS REDES WLAN Y DISEÑO DE UN ALGORITMO COGNITIVO ENERGÉTICAMENTE EFICIENTE [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53450TESI

Performance analysis of weather s impact on outdoor IEEE 802.11b/g links using network management parameters

Some previous works concluded that weather conditions impact on the performance of outdoor IEEE 802.11b/g links. They show high correlation coefficients between the number of control frame errors and the weather conditions. However, these previous studies do not consider grouping weather conditions into ranges and it would provide very valuable information in this issue. Knowing the weather conditions ranges where the weathers' impact is really significant would be very useful for future outdoor networks. Thus, we have carried out a deep study on an experimental IEEE 802.11b/g setup in order to extract real conclusions. It is composed of two outdoor radio links of different lengths transmitting traffic continuously. Results show that in spite of covering a lower distance, the short distance link is more susceptible to the weather conditions. It is due to the modulation scheme used in that case. Moreover, they show different correlation coefficients depending on the groupings of weather conditions.This work has been supported by the "Vicerectorat d'investigacio" through the "Programa para la Formacion de Personal Investigador" of the UPV (FPI-UPV). The authors would like to thank the Information and Communications Systems Office (ASIC), Borja Opticos Enterprise and Azimut Electronics Company for their collaboration and support.Bri Molinero, D.; García Pineda, M.; Lloret, J.; Ramos Pascual, F. (2016). Performance analysis of weather s impact on outdoor IEEE 802.11b/g links using network management parameters. Mobile Networks and Applications. 21:603-619. doi:10.1007/s11036-016-0758-9S60361921ITU Radiocommunication Sector (2013) Recommendation ITU-R P.840–6 attenuation due to clouds and fog, International Telecommunications UnionITU Radiocommunication Sector (2013) Recommendation ITU-R P.676–10, Attenuation by atmospheric gases, International Telecommunications UnionITU Radiocommunication Sector (2013) Recommendation ITU-R P.838–3 specific attenuation model for rain for use in prediction methods, International Telecommunications UnionJ. B. Ernst, S. Kremer, J. J. P. C. Rodrigues (2014) A utility based access point selection method for IEEE 802.11 wireless networks with enhanced quality of experience, de IEEE International Conference on Communications (ICC), SydneyD. Bri, F. Ramos, J. Lloret and M. Garcia (2012) The influence of meteorological variables on the performance of outdoor wireless local area networks, in IEEE International Conference on Communications (ICC), OttawaD. Bri, M. Garcia, J. Lloret and F. Ramos (2014) A cognitive algorithm based on the weather conditions to enhance wireless outdoor communications, in Cognitive Networks: Applications and Deployments, CRC Press, pp. 427–443.Proença ML Jr, Fernandes G Jr, Carvalho LF, de Assis MVO, Rodrigues JJPC (2016) Digital signature to help network management using flow analysis. Int J Network Mgmt 16:76–94de Assis MVO, Rodrigues JJPC, Proença ML Jr (2014) A seven-dimensional flow analysis to help autonomous network management, Information Sciences. Elsevier 278:900–913H. Wennerstrom, F. Hermans, O. Rensfelt, C. Rohner and L.-A. Norden (2013) A long-term study of correlations between meteorological conditions and 802.15.4 link performance, in 10th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks (SECON), New Orleans, LA, JuneMafuta M, Zennaro M, Bagula A, Ault G, Gombachika H, Chadza T (2013) Successful deployment of a wireless sensor network for precision agriculture in Malawi. International Journal of Distributed Sensor Networks 2013:13R. Marfievici, A. Murphy, G. Picco, F. Ossi and F. Cagnacci (2013) How environmental factors impact outdoor wireless sensor networks: a case study, in IEEE 10th International Conference on Mobile Ad-Hoc and Sensor Systems (MASS), HangzhouBoano C, Tsiftes N, Voigt T, Brown J, Roedig U (2010) The impact of temperature on outdoor industrial sensornet applications. IEEE Transactions on Industrial Informatics 6(3):451–459Bannister K, Giorgetti G, Gupta SK (2008) Wireless sensor networking for hot applications: effects of temperature on signal strength, data collection and localization, in Workshop on Embedded Networked Sensors (HotEmNets). Charlottesville, Virginia, USAJ. Thelen and D. Goense (2005) Radio wave propagation in potato fields, in Workshop on Wireless Network Measurements (WiNMee)K. Ohshima, H. Hara, Y. Hagiwara and M. Terada (2012) Field investigation of the RadioTransmission performance and distance in a environmental wireless sensor network, in International Conference on Information Networking (ICOIN), BaliC. Ching-Hsiang, C. You-Ming, H. Yu-Te, R. Carvalho, H. Chiun-Chieh and L.-J. Chen (2014) Measurement of long-distance wi-fi connections: an empirical study, in IEEE International Conference on Communications (ICC), SydneyK. Ohshima, H. Hara, Y. Hagiwara y M. Terada (2012) Field investigation of the radio transmission performance and distance in a environmental wireless sensor network, de International Conference on Information Networking (ICOIN), BaliF. Nadeem, E. Leitgeb, O. Koudelka, T. Javornic, G. Kandus (2008) Comparing the rain effects on hybrid network using optical wireless and GHz links,» de 4th International Conference on Emerging Technologies (ICET), RawalpindiBri D, Fernandez-Diego M, Garcia M, Ramos F, Lloret J (2012) How the weather impacts on the performance of an outdoor WLAN. IEEE Commun Lett 16(8):1184–1187D. Bri, S. Sendra, H. Coll and J. Lloret (2010) How the atmospheric variables affect to the WLAN datalink layer parameters, in The Sixth Advanced International Conference on Telecommunications, BarcelonaBri D, Garcia M, Lloret J, Misic J (2015) Measuring the weather’s impact on MAC layer over 2.4 GHz outdoor radio links. Measurement 61:221–233Azimut Electronics, [Online]. Available: http://www.azimutelectronics.es/?lang=en . [Accessed January 2015].IEEE (2012) Std 802.11™-2012 (Revision of IEEE Std 802.11-2007) Part 11: wireless lan medium access control (mac) and physical layer (phy) specifications, IEEE Computer Society, New Yorkmeteogandia.com, [Online]. Available: http://www.meteogandia.com/index.html . [Accessed January 2015].Y. Liang and S. F. Midkiff (2005) Multipath Fresnel zone routing for wireless ad hoc networks, in IEEE Wireless Communications and Networking Conference, New OrleansJ. Case, M. Fedor, M. Schoffstall and J. Davin (1990) A simple network management protocol (SNMP) (request for comments: 1157), the internet engineering task force (IETF )K. McCloghrie and M. Rose, (1991) Management information base for network management of TCP/IP-based internets: MIB-II (request for comments: 1213), the internet engineering task force (IETF)K. McCloghrie, D. Perkins, J. Schoenwaelder, J. Case, M. Rose and S. Waldbusser (1999) Structure of management information version 2 (SMIv2), request for comments: 2578, the internet engineering task force (IETF)Field A (2013) Discovering statistics using IBM SPSS statistics. Sage, CaliforniaN. S. Chok (2010) Pearson’s versus Spearman’s and Kendall’s correlation, Thesis, University of PittsburghYun J-H (2013) Performance analysis of IEEE 802.11 WLANs with rate adaptation in time-varying fading channels. Computer Networks 56(5):1153–116