Fly-By-Wireless for Next Generation Aircraft: Challenges and Potential solutions

”Fly-By-Wireless” paradigm based on wireless connectivity in aircraft has the potential to improve efficiency and flexibility, while reducing weight, fuel consumption and maintenance costs. In this paper, first, the opportunities and challenges for wireless technologies in safety-critical avionics context are discussed. Then, the assessment of such technologies versus avionics requirements is provided in order to select the most appropriate one for a wireless aircraft application. As a result, the design of a Wireless Avionics Network based on Ultra WideBand technology is investigated, considering the issues of determinism, reliability and security

Improving multiple broadcasting of multimedia traffic in wireless ad-hoc networks

The increasing use of multimedia streaming applications in addition with advent of internet television and radio, demands from today's wireless networks to handle with reliability multiple broadcasting and multicasting sources. However, the way that 802.11 standard, which is the primary technology in wireless networking, handle this type of traffic raises a series of problems mainly related to the lack of an effective feedback mechanism. This lack in turn, limits the capability of random backoff process to eliminate collisions and reduce reliability and fairness. This inherited drawback of the standard is affecting the way broadcast and multicast traffic is transmitted as well as the overall performance of the network. In this paper initially we are highlighting the drawback of the IEEE 802.11 MAC algorithm in handling multiple stations “media type” data broadcasting in an ad-hoc wireless network. Then, we propose two different approaches in alleviating these problems. The first approach is the simple linear increase of the contention window (CW) while the second propose a linear increase of the CW implementing an exclusive backoff number allocation (EBNA) algorithm. In addition we are modifying the 802.11 medium access control (MAC) algorithm to use the clear to send to self (CTS-to-Self) protection mechanism prior to every transmission. Both the above techniques are simulated and compared with the classic 802.11 MAC. The results show that the overall performance of the network can be improved using these alternative MAC methods

Multicast MAC extensions for high rate real-time traffic in wireless LANs

Nowadays we are rapidly moving from a mainly textual-based to a multimedia-based Internet, for which the widely deployed IEEE 802.11 wireless LANs can be one of the promising candidates to make them available to users anywhere, anytime, on any device. However, it is still a challenge to support group-oriented real-time multimedia services, such as video-on-demand, video conferencing, distance educations, mobile entertainment services, interactive games, etc., in wireless LANs, as the current protocols do not support multicast, in particular they just send multicast packets in open-loop as broadcast packets, i.e., without any possible acknowledgements or retransmissions. In this thesis, we focus on MAC layer reliable multicast approaches which outperform upper layer ones with both shorter delays and higher efficiencies. Different from polling based approaches, which suffer from long delays, low scalabilities and low efficiencies, we explore a feedback jamming mechanism where negative acknowledgement (NACK) frames are allowed from the non-leader receivers to destroy the acknowledgement (ACK) frame from the single leader receiver and prompts retransmissions from the sender. Based on the feedback jamming scheme, we propose two MAC layer multicast error correction protocols, SEQ driven Leader Based Protocol (SEQ-LBP) and Hybrid Leader Based Protocol (HLBP), the former is an Automatic Repeat reQuest (ARQ) scheme while the later combines both ARQ and the packet level Forward Error Correction (FEC). We evaluate the feedback jamming probabilities and the performances of SEQ-LBP and HLBP based on theoretical analyses, NS-2 simulations and experiments on a real test-bed built with consumer wireless LAN cards. Test results confirm the feasibility of the feedback jamming scheme and the outstanding performances of the proposed protocols SEQ-LBP and HLBP, in particular SEQ-LBP is good for small multicast groups due to its short delay, effectiveness and simplicity while HLBP is better for large multicast groups because of its high efficiency and high scalability with respect to the number of receivers per group.Zurzeit vollzieht sich ein schneller Wechsel vom vorwiegend textbasierten zum multimediabasierten Internet. Die weitverbreiteten IEEE 802.11 Drahtlosnetzwerke sind vielversprechende Kandidaten, um das Internet für Nutzer überall, jederzeit und auf jedem Gerät verfügbar zu machen. Die Unterstützung gruppenorientierter Echtzeit-Dienste in drahtlosen lokalen Netzen ist jedoch immer noch eine Herausforderung. Das liegt daran, dass aktuelle Protokolle keinen Multicast unterstützen. Sie senden Multicast-Pakete vielmehr in einer "Open Loop"-Strategie als Broadcast-Pakete, d. h. ohne jegliche Rückmeldung (feedback) oder Paketwiederholungen. In der vorliegenden Arbeit, anders als in den auf Teilnehmereinzelabfragen (polling) basierenden Ansätzen, die unter langen Verzögerungen, geringer Skalierbarkeit und geringer Effizienz leiden, versuchen wir, Multicast-Feedback bestehend aus positiven (ACK) und negativen Bestätigungen (NACK) auf MAC-Layer im selben Zeitfenster zu bündeln. Die übrigen Empfänger können NACK-Frames senden, um das ACK des Leaders zu zerstören und Paketwiederholungen zu veranlassen. Basierend auf einem Feedback-Jamming Schema schlagen wir zwei MAC-Layer-Protokolle für den Fehlerschutz im Multicast vor: Das SEQ-getriebene Leader Based Protocol (SEQ-LBP) und das Hybrid Leader Based Protocol (HLBP). SEQ-LBP ist eines Automatic Repeat reQuest (ARQ) Schema. HLBP kombiniert ARQ und paketbasierte Forward Error Correction (FEC). Wir evaluieren die Leistungsfähigkeit von ACK/NACK jamming, SEQ-LBP und HLBP durch Analysis, Simulationen in NS-2, sowie Experimenten in einer realen Testumgebung mit handelsüblichen WLAN-Karten. Die Testergebnisse bestätigen die Anwendbarkeit der Feedback-Jamming Schemata und die herausragende Leistungsfähigkeit der vorgestellten Protokolle SEQ-LBP und HLBP. SEQ-LBP ist durch seine kurze Verzögerung, seine Effektivität und seine Einfachheit für kleine Multicast-Gruppen nützlich, während HLBP auf Grund seiner hohen Effizienz und Skalierbarkeit im Bezug auf die Größe der Empfänger eher in großen Multicast-Gruppen anzuwenden ist

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