Multipath routing and QoS provisioning in mobile ad hoc networks

PhDA Mobile Ad Hoc Networks (MANET) is a collection of mobile nodes that can communicate with each other using multihop wireless links without utilizing any fixed based-station infrastructure and centralized management. Each mobile node in the network acts as both a host generating flows or being destination of flows and a router forwarding flows directed to other nodes. Future applications of MANETs are expected to be based on all-IP architecture and be capable of carrying multitude real-time multimedia applications such as voice and video as well as data. It is very necessary for MANETs to have an efficient routing and quality of service (QoS) mechanism to support diverse applications. This thesis proposes an on-demand Node-Disjoint Multipath Routing protocol (NDMR) with low broadcast redundancy. Multipath routing allows the establishment of multiple paths between a single source and single destination node. It is also beneficial to avoid traffic congestion and frequent link breaks in communication because of the mobility of nodes. The important components of the protocol, such as path accumulation, decreasing routing overhead and selecting node-disjoint paths, are explained. Because the new protocol significantly reduces the total number of Route Request packets, this results in an increased delivery ratio, smaller end-to-end delays for data packets, lower control overhead and fewer collisions of packets. Although NDMR provides node-disjoint multipath routing with low route overhead in MANETs, it is only a best-effort routing approach, which is not enough to support QoS. DiffServ is a standard approach for a more scalable way to achieve QoS in any IP network and could potentially be used to provide QoS in MANETs because it minimises the need for signalling. However, one of the biggest drawbacks of DiffServ is that the QoS provisioning is separate from the routing process. This thesis presents a Multipath QoS Routing protocol for iv supporting DiffServ (MQRD), which combines the advantages of NDMR and DiffServ. The protocol can classify network traffic into different priority levels and apply priority scheduling and queuing management mechanisms to obtain QoS guarantees

Fairness and transmission opportunity limit in IEEE 802.11e enhanced distributed channel access

Tämä diplomityö tutkii lähetysaikarajan vaikutusta verkon reiluuteen IEEE802.11e tehostettuun ja hajautettuun kommunikaatiokanavaan pääsyyn. IEEE802.11e tuo palvelunlaatuominaisuuksia IEEE802.11 langattomiin verkkoihin. Asemat, jotka käyttävät IEEE802.11e-ominaisuuksia jakavat liikenteen neljään kategoriaan. Kategorioiden välinen erottelu saavutetaan neljällä parametrilla, jotka kontrolloivat kanavaan pääsyä. Tämä työ tutkii yhtä näistä parametreistä, lähetysaikarajaa, joka kontrolloi lähetyksen kestoa. IEEE802.11e antaa referenssiarvoja parametreille, mutta näillä arvoilla verkon kuormituksen lisääntyessä, alemman prioriteetin liikenne kärsii nopeasti. Hyvin pian kuormituksen lisääntyessä alemman prioriteetin liikenne ei pääse verkosta läpi lainkaan. Tällöin myös verkon reiluus on matala. Reiluuden parantamiseksi, häiritsemättä korkean prioriteetin liikennettä, tämä työ tutkii ison lähetysaikarajan käyttöä. Ensimmäisessä simulaatiosarjassa alemman prioriteetin lähetysaikaraja on ääretön. Tämä tarkoitta sitä, että alemman prioriteetin jono voi lähettää kaikki pakettinsa kun se pääsee lähettämään. Tulokset osoittavat, että ääretön lähetysaikaraja parantaa reiluutta kun kanava on kuormittumassa. Tulokset osoittavat myös, että ääretön lähetysaikaraja ei merkittävästi heikennä korkean prioriteetin liikennettä. Toinen simulaatiosarja keskittyy sellaiseen verkon kuormitustilaan, missä äärettömän lähetysaikarajan vaikutus on suurin. Näissä simulaatioissa lähetysaikarajan arvo on staattinen. Simulaatiosta toiseen lähetysaikarajan arvo muutetaan toiseen arvoon väliltä nolla-suurin sallittu arvo. Tulokset näistä simulaatioista ovat hyvin samanlaiset kuin ensimmäisen simulaatiosarjan tulokset.This thesis investigates the effect of transmission opportunity limit on fairness in IEEE802.11e enhanced distributed channel access. IEEE802.11e brings quality of service features into IEEE802.11 wireless local area networks. In stations operating with IEEE802.11e, traffic is divided into categories. Differentiation between these categories is achieved by using four parameters to control the channel access. This thesis investigates one of these parameters, the transmission opportunity limit, which controls the channel access duration. With the reference parameter values given in IEEE802.11e, as the network congestion level increases, low priority traffic suffers quickly to a point where none of it gets transmitted. This makes the network overall fairness poor. To improve fairness while not disturbing high priority traffic, this thesis investigates the use of large transmission opportunity limit values. In the first set of simulations, the low priority traffic transmission opportunity limit values are set to infinite. This means that the low priority queue can send all its packets when it gains access to the channel. The results show that infinite transmission opportunity limit improves fairness when channel is getting congested. Also infinite transmission opportunity limit does not notably weaken high priority traffic performance. Second set of simulations focuses on the network congestion level where the effect of the infinite transmission opportunity limit is the largest. In these simulations the transmission opportunity limit is set to static value ranging from zero to a maximum allowed value. The results from these simulations are similar to the results of the first simulation set

TDMAとDCFの組み合わせによるアドホックネットワーク上でのQoS通信の実現方式

　An ad hoc network does not rely on the fixed network infrastructure; it uses a distributed network management method. With the popularity of the smart devices, ad hoc network has received more and more attention, supporting QoS in ad hoc network has become inevitable. Many researches have been done for provision of QoS in ad hoc networks. These researches can be divided into three types.　The first type is contention-based approach which is the most widely used. IEEE 802.11e MAC (media access control) protocol belongs to this type which is an extension of IEEE 802.11 DCF(Distributed Coordination Function). It specifies a procedure to guarantee QoS by providing more transmission opportunities for high priority data. However, since IEEE 802.11eis designed based on the premise that access points are used, when the number of QoS flows increases, packet collisions could occur in multi-hop ad hoc network.　The second type is using TDMA-based approach. The TDMA approach can provide contention-free access for QoS traffics through the appropriate time slot reservation. The current TDMA approaches reserve time slots for both QoS traffics and best-effort traffics. However, it is difficult for TDMA as the only approach to allocating channel access time for best-effort traffics sincet he required bandwidth of the best-effort traffics changes frequently.　We propose a QoS scheme, which takes advantage of both contention-based approach and TDMA-based approach. In the proposed scheme, contention-based approach DCF provides easy and fair channel time for best-effort traffics, and TDMA approach serves the QoS traffics. A time frame structure is designed to manage the bandwidth allocation. A time frame is divided into two periods, specifically the TDMA periods and the DCF periods. The proportion of two periods is decided by QoS traffics. Therefore the QoS traffics are given absolutely higher priority than best-effort traffics. In order to guarantee the transmission of each QoS packet in TDMA period, a time slot assignment algorithm based on QoS data rate has been proposed. The proposed scheme also employs an admission control scheme, which rejects the new QoS user when the channel capacity is reached. In addition, we provide the configuration of the proposed scheme in the mobile environment. The procedures are designed for route changes and new-adding users. 　The proposed scheme is simulated in the QualNet simulator. In the static environment, the performance of the proposed scheme is evaluated in the case of a gradual increase in the number TCP flows and in the case of gradual increase in QoS data rate. Simulation results show that in the static environment the proposed scheme can not only provide effective QoS performance, but also can provide good support for best-effort flows. In the mobile environment, we simulated the performance of the proposed scheme at different moving speed (maximum is 5 Km/h) when the ARF (Auto Rate Fallback) is available. From the simulation results, in a specific mobile environment, the proposed scheme can support the QoS transmission well.電気通信大学201

Location based transmission using a neighbour aware-cross layer MAC for ad hoc networks

In a typical Ad Hoc network, mobile nodes have scarce shared bandwidth and limited battery life resources, so optimizing the resource and enhancing the overall network performance is the ultimate aim in such network. This paper proposes anew cross layer MAC algorithm called Location Based Transmission using a Neighbour Aware – Cross Layer MAC (LBT-NA Cross Layer MAC) that aims to reduce the transmission power when communicating with the intended receiver by exchanging location information between nodes in one hand and on the other hand the MAC uses a new random backoff values, which is based on the number of active neighbour nodes, unlike the standard IEEE 802.11 series where a random backoff value is chosen from a fixed range of 0-31. The validation test demonstrates that the proposed algorithm increases battery life, increases spatial reuse and enhances the network performance

Efficient real-time video delivery in vehicular networks

Tesis por compendio[EN] Vehicular Ad-hoc Networks (VANET) are a special type of networks where the nodes involved in the communication are vehicles. VANETs are created when several vehicles connect among themselves without the use of any infrastructure. In certain situations the absence of infrastructure is an advantage, but it also creates several challenges that should be overcome. One of the main problems related with the absence of infrastructure is the lack of a coordinator that can ensure a certain level of quality in order to enable the correct transmission of video and audio. Video transmission can be extremely useful in this type of networks as it can be used for videoconferencing of by traffic authorities to monitor the scene of an accident. In this thesis we focused on real time video transmission, providing solutions for both unicast and multicast environments. Specifically, we built a real-world testbed scenario and made a comparison with simulation results to validate the behavior of the simulation models. Using that testbed we implemented and improved DACME, an admission control module able to provide Quality of Service (QoS) to unicast video transmissions. DACME proved to be a valid solution to obtain a certain level of QoS in multi-hop environments. Concerning multicast video transmission, we developed and simulated several flooding schemes, focusing specifically on VANET environments. In this scope, the main contribution of this thesis is the Automatic Copies Distance Based (ACDB) flooding scheme. Thanks to the use of the perceived vehicular density, ACDB is a zeroconf scheme able to achieve good video quality in both urban and highway environments, being specially effective in highway environments.[ES] Las redes vehiculares ad-hoc (VANET) son un tipo especial de redes en las que los nodos que participan de la comunicación son vehículos. Las VANETs se crean cuando diversos vehículos se conectan entre ellos sin el uso de ninguna infraestructura. En determinadas situaciones, la ausencia de infraestructura es una ventaja, pero también crea una gran cantidad de desafíos que se deben superar. Uno de los principales problemas relacionados con la ausencia de infraestructura, es la ausencia de un coordinador que pueda asegurar un determinado nivel de calidad, para poder asegurar la correcta transmisión de audio y vídeo. La transmisión de vídeo puede ser de extrema utilidad en este tipo de redes ya que puede ser empleada para videoconferencias o por las autoridades de tráfico para monitorizar el estado de un accidente. En esta tesis nos centramos en la transmisión de vídeo en tiempo real, proveyendo soluciones tanto para entornos unicast como multicast. En particular construimos un banco de pruebas real y comparamos los resultados obtenidos con resultados obtenidos en un entorno simulado para comprobar la fiabilidad de estos modelos. Usando el mismo banco de pruebas, implementamos y mejoramos DACME, un módulo de control de admisión capaz de proveer de calidad de servicio a transmisiones de vídeo unicast. DACME probó ser una solución válida para obtener ciertos niveles de calidad de servicio en entornos multisalto. En lo referente a la transmisión de vídeo multicast, desarrollamos y simulamos diversos esquemas de difusión diseñados específicamente para entornos VANET. En este campo, la principal contribución de esta tesis es el esquema de difusión "Automatic Copies Distance Based" (ACDB). Gracias al uso de la densidad vehicular percibida, ACDB es un esquema, que sin necesidad de configuración, permite alcanzar una buena calidad de vídeo tanto en entornos urbanos como en autopistas, siendo especialmente efectivo en este último entorno.[CA] Les xarxes vehiculars ad-hoc (VANET) son un tipus de xarxes especials a les que els diferents nodes que formen part d'una comunicació son vehicles. Les VANETs es formen quan diversos vehicles es connecten sense fer ús de cap infraestructura. A certes situacions l'absència d'una infraestructura suposa un avantatge, encara que també genera una gran quantitat de desafiaments que s'han de superar. U dels principals problemes relacionats amb l'absència d'infraestructura, és la manca d'un coordinador que puga garantir una correcta transmissió tant de video com d'àudio. La transmissió de video pot ser d'extrema utilitat a aquest tipus de xarxes, ja que es por emprar tant per a videoconferències com per part de les autoritats de trànsit per monitoritzar l'estat d'un accident. A aquesta tesi ens centrem en transmissió de video en temps real, proporcionant solucions tant a entorns unicast como a entorns multicast. Particularment, vam construir un banc de proves i obtinguérem resultats que comparàrem amb resultats obtinguts mitjançant simulació. D'aquesta manera validarem la fiabilitat dels resultats simulats. Fent ús del mateix banc de proves, vàrem implementar i millorar DACME, un mòdul de control d'admissió, capaç de proveir de qualitat de servici a transmissions de video unicast. DACME va provar ser una bona solució per obtindré un bon nivell de qualitat de servici en entorns de xarxes ad-hoc amb diversos salts. Si ens centrem a la transmissió de video multicast, vàrem implementar i simular diferents esquemes de difusió, específicament dissenyats per al seu ús a entorns VANET. La principal contribució d'aquesta tesi es l'esquema de difusió ACDB (Automatic Copies Distance Based). Fent ús de la densitat vehicular, ACDB es capaç d'obtindre una bona qualitat de video tant a ciutats com a vies interurbanes, sent a especialment efectiu a aquestes últimes. A més a més no es necessària cap configuració per part de l'usuari.Torres Cortés, Á. (2016). Efficient real-time video delivery in vehicular networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62685TESISCompendi

Design and Evaluation of Efficient Medium Access Control Solutions for Vehicular Environments

[EN] In recent years, advances in wireless technologies and improved sensing and computational capabilities have led to a gradual transition towards Intelligent Transportation Systems (ITS) and related applications. These applications aim at improving road safety, provide smart navigation, and eco-friendly driving. Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) provide a communication structure for ITS by equipping cars with advanced sensors and communication devices that enable a direct exchange of information between vehicles. Different types of ITS applications rely on two types of messages: periodic beacons and event-driven messages. Beacons include information such as geographical location, speed, and acceleration, and they are only disseminated to a close neighborhood. Differently from beacons, event-driven messages are only generated when a critical event of general interest occurs, and it is spread within a specific target area for the duration of the event. The reliability of information exchange is one of the main issues for vehicularcommunications since the safety of people on the road is directly related to the effectiveness of these transmissions. A Medium Access Control (MAC) protocol must guarantee reliable beacon broadcasting within deadline bounds to all vehicles in the neighbourhood, thereby providing them timely notifications about unsafe driving conditions or other hazardous events. Moreover, infotainment and comfort applications require reliable unicast transmissions that must be taken into account. However, high node mobility, highly dynamic topology, and lack of a central control unit, are issues that make the design of a reliable MAC protocol for vehicular environments a very difficult and challenging task, especially when efficient broadcasting strategies are required. The IEEE 802.11p MAC protocol, an approved amendment to the IEEE 802.11 standard, is a random access protocol that is unable to provide guaranteed delay bounds with sufficient reliability in vehicular scenarios, especially under high channel usage. This problem is particularly serious when implementing (semi-) automated driving applications such as platooning, where inter-vehicle spacing is drastically reduced, and the control loop that manages and maintains the platoon requires frequent, timely and reliable exchange of status information (beacons). In this thesis novel protocols compatible with the IEEE 802.11 and 802.11p standards are proposed in order to optimally adjust the contention window size for unicast applications in Mobile Ad hoc Networks (MANETs) and VANETs. Experimental tests comparing our proposals to existing solutions show that the former are able to improve the packet delivery ratio and the average end-to-end delay for unicast applications. Concerning efficient message diffusion (broadcast) in VANET environments, we proposed token-based MAC solutions to improve the performance achieved by existing 802.11p driving safety applications in different vehicular environments, including highway, urban, and platooning scenarios. Experimental results show that the proposed solutions clearly outperform 802.11p when delay-bounded beacons and event notifications must be delivered.[ES] Recientemente, los avances en las tecnologías inalámbricas y las mejoras en términos de capacidades de sensorización y computación de los dispositivos electrónicos, han dado lugar a una transición gradual hacia servicios y aplicaciones de los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS). Estas aplicaciones tienen como objetivo mejorar la seguridad vial, proporcionar una navegación inteligente, y promover la conducción eco-eficiente. Las redes vehiculares ad hoc (VANETs) proporcionan una infraestructura de comunicaciones para ITS al equipar los coches con sensores avanzados y dispositivos de comunicación que permiten el intercambio directo de información entre vehículos. Los diferentes tipos de aplicaciones ITS se basan en dos tipos de mensajes: mensajes periódicos conocidos como beacons y mensajes asociados a eventos. Los mensajes periódicos incluyen información relativa a la ubicación geográfica, la velocidad y la aceleración, entre otros, y sólo son distribuidos entre los vehículos vecinos. A diferencia de estos beacons, los mensajes asociados a eventos sólo se generan cuando se produce un evento crítico de interés general, el cual se propaga dentro del área de interés de dicho evento y mientras éste siga activo. La fiabilidad del intercambio de información es uno de los principales problemas para las comunicaciones vehiculares, debido principalmente a que las aplicaciones de seguridad dependen directamente de la eficacia de estas transmisiones. Un protocolo de Control de Acceso al Medio (MAC) debe garantizar la difusión fiable de información a todos los vehículos vecinos dentro de unos límites máximos de retardo, proporcionándoles las notificaciones oportunas respecto a condiciones de conducción inseguras y otros eventos peligrosos. Por otra parte, las aplicaciones de información y entretenimiento, así como las aplicaciones orientadas al confort, también requieren transmisiones fiables extremoa-extremo. Sin embargo, la alta movilidad de los vehículos, la variabilidad de la topología, así como la falta de una unidad central de control, son factores que hacen que el diseño de un protocolo MAC fiable para entornos vehiculares sea una tarea especialmente compleja, especialmente cuando son necesarias estrategias de difusión eficientes. El protocolo MAC IEEE 802.11p, una modificación ya aprobada al estándar IEEE 802.11 original para entornos de comunicación vehiculares, es un protocolo de acceso que no es capaz de garantizar unos límites de retardo con la fiabilidad necesaria para estos entornos, especialmente en escenarios de alta utilización del canal inalámbrico. Este problema es particularmente importante a la hora de implementar aplicaciones de conducción (semi-)automática, como el caso de grupos de vehículos donde la separación entre vehículos se reduce drásticamente, y el sistema de control que gestiona y mantiene el grupo requiere de un intercambio frecuente de información fiable y acotado en retardo. En esta tesis se proponen nuevos protocolos MAC compatibles con los estándares IEEE 802.11 y 802.11p basados en el ajuste del tamaño de la ventana de contención para aplicaciones unicast en rede MANETs y VANETs. Los resultados experimentales obtenidos comparando nuestras propuestas con las soluciones existentes muestran que los protocolos propuestos son capaces de mejorar la tasa de entrega de paquetes y el retardo medio extremo-a-extremo para aplicaciones unicast. En lo que respecta a la difusión eficiente de mensajes broadcast en entornos VANET, se han propuesto soluciones MAC basadas en el uso de tokens que mejoran las prestaciones de aplicaciones de conducción segura basadas en el estándar 802.11p, tanto en autopistas, zonas urbanas, y escenarios con grupos de vehículos. Los resultados experimentales muestran que las soluciones propuestas superan claramente al protocolo 802.11p cuando es necesario entregar mensajes y notificaciones de eventos con restricc[CA] Recentment, els avan en les tecnologies sense fils i les millores en termes de capacitats de sensorització i computació dels dispositius electrònics, han donat lloc a una transició gradual cap a serveis i aplicacions dels sistemes intelligents de transport (ITS). Aquestes aplicacions tenen com a objectiu millorar la seguretat vial, proporcionar una navegació intelligent, i promoure la conducció ecoeficient. Les xarxes vehiculars ad hoc (VANET) proporcionen una infraestructura de comunicacions per a ITS, ja que equipen els cotxes amb sensors avançats i dispositius de comunicació que permeten l'intercanvi directe d'informació entre vehicles. Els diversos tipus d'aplicacions ITS es basen en dos classes de missatges: missatges periòdics coneguts com a beacons i missatges associats a esdeveniments. Els missatges periòdics inclouen informació relativa a la ubicació geogràfica, la velocitat i l'acceleració, entre uns altres, i només són distribuïts entre els vehicles veïns. A diferència d'aquests beacons, els missatges associats a esdeveniments només es generen quan es produeix un esdeveniment crític d'interès general, el qual es propaga dins de l àrea d'interès d'aquest esdeveniment i mentre aquest seguisca actiu. La fiabilitat de l'intercanvi d'informació és un dels principals problemes per a les comunicacions vehicular, principalment perquè les aplicacions de seguretat depenen directament de l'eficàcia d'aquestes transmissions. Un protocol de control d'accés al medi (MAC) ha de garantir la difusió fiable d'informació a tots els vehicles veïns dins d'uns límits màxims de retard, i proporcionar-los les notificacions oportunes respecte a condicions de conducció insegures i altres esdeveniments perillosos. D'altra banda, les aplicacions d'informació i entreteniment, com també les aplicacions orientades al confort, també requereixen transmissions fiables extrema-extrem. No obstant això, l'alta mobilitat dels vehicles, la variabilitat de la topologia, i la falta d'una unitat central de control, són factors que fan que el disseny d'un protocol MAC fiable per a entorns vehiculars siga una tasca especialment complexa, especialment quan són necessàries estratègies de difusió eficients. El protocol MAC IEEE 802.11p, una modificació ja aprovada a l'estàndard IEEE 802.11 original per a entorns de comunicació vehiculars, és un protocol d'accés que no és capa garantir uns límits de retard amb la fiabilitat necessària per a aquests entorns, especialment en escenaris d'alta utilització del canal sense fil. Aquest problema és particularment important a l'hora d'implementar aplicacions de conducció (semi)automàtica, com el cas de grups de vehicles en què la separació entre vehicles es redueix dràsticament, i el sistema de control que gestiona i manté el grup requereix un intercanvi freqüent d'informació fiable i delimitat en retard. En aquesta tesi es proposen nous protocols MAC compatibles amb els estàndards IEEE 802.11 i 802.11p basats en l'ajust de les dimensions de la finestra de contenció per a aplicacions unicast en xarxes MANET i VANET. Els resultats experimentals obtinguts comparant les nostres propostes amb les solucions existents mostren que els protocols proposats són capa de millorar la taxa de lliurament de paquets i el retard mitjà extrem-a-extrem per a aplicacions unicast. Pel que fa a la difusió eficient de missatges broadcast en entorns VANET, s'han proposat solucions MAC basades en l'ús de tokens que milloren les prestacions d'aplicacions de conducció segura basades en l'estàndard 802.11p, tant en autopistes, zones urbanes, i escenaris amb grups de vehicles. Els resultats experimentals mostren que les solucions proposades superen clarament el protocol 802.11p quan cal lliurar missatges i notificacions d'esdeveniments amb restriccions de latència.Balador, A. (2016). Design and Evaluation of Efficient Medium Access Control Solutions for Vehicular Environments [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64073TESI