Multiple preemptive EDCA for emergency medium access control in distributed WLANs

The increasingly use of wireless local area networks (WLANs) in public safety and emergency network services demands for a strict quality of service (QoS) guarantee especially a large number of users report an emergency for immediate channel access. Unfortunately, the traditional IEEE 802.11e-based enhanced distributed channel access (EDCA) does not support a strict QoS guarantee for life saving emergency traffic under high loads. Previous studies have attempted to enhance the performance of EDCA called the Channel Preemtive EDCA (CP-EDCA) which is a promising idea to support emergency traffic in WLANs. However, CP-EDCA supports a single emergency traffic only (i.e. no emergency service differentiation) with high delays for increased traffic loads. To overcome this problem, we propose a class of EDCA protocol called Multiple Preemption EDCA (MPEDCA) as a candidate to support multiple emergency traffics under high loads. Each MP-EDCA node can support up to four emergency traffics (life, health, property and environment) with different priorities in addition to support background (non-emergency) traffic. The proposed protocol privileged the high priority life-saving emergency traffic to preempt the services of low priority ones without much starvation in the network to maintain a strict QoS guarantee. The paper evaluates the performance of MPEDCA through an extensive analysis of simulation outcome. The results obtained show that MP-EDCA outperforms CP-EDCA in achieving lower medium access control and emergency node delays

Análisis experimental del comportamiento del protocolo 802.11e en enlaces troncales

La comunicación inalámbrica es uno de los principales medios de interconexión en teleinformática, mas especialmente debido al auge que promovió la norma 802.11 al ser de uso libre. La norma generó un gran campo de investigación, en el área de señales y modulación, como así también en la generación de nuevos protocolos y el análisis del comportamiento de los tráficos. Si bien el ambientes cableados ya existía una norma que promovía la calidad de servicio, su utilización es reciente en redes wireless. En este trabajo se realiza un estudio del comportamiento del tráfico de enlaces troncales bajo diferentes situaciones, utilizando la norma 802.11e o también denominada WMM. Si bien existen numerosas simulaciones, los análisis de tráfico real no son frecuentes. Se encuadra en las líneas de investigación de comportamiento de protocolos y análisis de tráfico reales no simulados; en la transmisión de datos mediante radio frecuencia.Eje: Arquitectura, Redes y Sistemas OperativosRed de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Análisis experimental del comportamiento del protocolo 802.11e en enlaces troncales

La comunicación inalámbrica es uno de los principales medios de interconexión en teleinformática, mas especialmente debido al auge que promovió la norma 802.11 al ser de uso libre. La norma generó un gran campo de investigación, en el área de señales y modulación, como así también en la generación de nuevos protocolos y el análisis del comportamiento de los tráficos. Si bien el ambientes cableados ya existía una norma que promovía la calidad de servicio, su utilización es reciente en redes wireless. En este trabajo se realiza un estudio del comportamiento del tráfico de enlaces troncales bajo diferentes situaciones, utilizando la norma 802.11e o también denominada WMM. Si bien existen numerosas simulaciones, los análisis de tráfico real no son frecuentes. Se encuadra en las líneas de investigación de comportamiento de protocolos y análisis de tráfico reales no simulados; en la transmisión de datos mediante radio frecuencia.Eje: Arquitectura, Redes y Sistemas OperativosRed de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Contributions to QoS and energy efficiency in wi-fi networks

The Wi-Fi technology has been in the recent years fostering the proliferation of attractive mobile computing devices with broadband capabilities. Current Wi-Fi radios though severely impact the battery duration of these devices thus limiting their potential applications. In this thesis we present a set of contributions that address the challenge of increasing energy efficiency in Wi-Fi networks. In particular, we consider the problem of how to optimize the trade-off between performance and energy effciency in a wide variety of use cases and applications. In this context, we introduce novel energy effcient algorithms for real-time and data applications, for distributed and centralized Wi-Fi QoS and power saving protocols and for Wi-Fi stations and Access Points. In addition, the di¿erent algorithms presented in this thesis adhere to the following design guidelines: i) they are implemented entirely at layer two, and can hence be easily re-used in any device with a Wi-Fi interface, ii) they do not require modi¿cations to current 802.11 standards, and can hence be readily deployed in existing Wi-Fi devices, and iii) whenever possible they favor client side solutions, and hence mobile computing devices implementing them can benefit from an increased energy efficiency regardless of the Access Point they connect to. Each of our proposed algorithms is thoroughly evaluated by means of both theoretical analysis and packet level simulations. Thus, the contributions presented in this thesis provide a realistic set of tools to improve energy efficiency in current Wi-Fi networks

Experimenting with commodity 802.11 hardware: overview and future directions

The huge adoption of 802.11 technologies has triggered a vast amount of experimentally-driven research works. These works range from performance analysis to protocol enhancements, including the proposal of novel applications and services. Due to the affordability of the technology, this experimental research is typically based on commercial off-the-shelf (COTS) devices, and, given the rate at which 802.11 releases new standards (which are adopted into new, affordable devices), the field is likely to continue to produce results. In this paper, we review and categorise the most prevalent works carried out with 802.11 COTS devices over the past 15 years, to present a timely snapshot of the areas that have attracted the most attention so far, through a taxonomy that distinguishes between performance studies, enhancements, services, and methodology. In this way, we provide a quick overview of the results achieved by the research community that enables prospective authors to identify potential areas of new research, some of which are discussed after the presentation of the survey.This work has been partly supported by the European Community through the CROWD project (FP7-ICT-318115) and by the Madrid Regional Government through the TIGRE5-CM program (S2013/ICE-2919).Publicad

Estrategias de configuración de redes WLAN IEEE 802.11e EDCA

Las redes inalámbricas de área local (WLANs) se han convertido en una solución muy común para proporcionar acceso a Internet. El principal mecanismo usado a nivel MAC (Medium Access Control) para las WLANs es el definido por el estándar IEEE 802.11. Recientemente, el grupo de trabajo (Working Group) 802.11 ha aprobado un nuevo estándar, denominado 802.11e, que extiende dicho mecanismo para suministrar calidad de servicio (QoS). Este nuevo estándar se basa en una serie de parámetros a configurar, tema aún pendiente de ser resuelto pues si bien se proporcionan unos valores recomendados para dichos parámetros, estos valores son estáticos por lo que su idoneidad no está garantizada. La presente tesis aborda el diseño de estrategias de configuración que optimicen el uso del mecanismo EDCA del estándar 802.11e. A tal efecto, se distinguen dos escenarios WLAN bien diferentes, cada uno definiendo una diferente estrategia de configuración para los mencionados parámetros: En el primer escenario, denominado WLAN abierta, se supone un entorno abierto como, por ejemplo, un hot-spot. En dicho escenario no se puede confiar en la caracterización del tráfico y los requisitos de servicio que pudiesen proporcionar los usuarios, dado que estos bien pueden declarar unos valores diferentes a los reales para obtener más recursos de la red. Dichos usuarios pueden incluso saturar su acceso inalámbrico (esto es, tener siempre un paquete en proceso de ser transmitido)para obtener recursos adicionales. Para este escenario se propone una configuración que garantice un rendimiento óptimo incluso en presencia de posibles usuarios saturando sus interfaces. Dada la naturaleza abierta de este escenario, adicionalmente se desarrolla un mecanismo que detecta comportamientos no ajustados a una determinada configuración. En el segundo escenario, denominado WLAN cerrada, los usuarios son dignos de confianza. Un ejemplo de dicho escenario puede ser un entorno de oficinas, donde sólo los empleados pueden conectarse a la red. En este caso, tanto la caracterización declarada del tráfico, así como los requisitos de servicio, pueden ser utilizados con objeto de calcular la configuración óptima que proporciona el mejor rendimiento. Nótese que, en este escenario, dado que se dispone de más información, sí que es posible escoger la configuración que mejor atiende los requisitos y características de las fuentes de tráfico. Las principales contribuciones de la presente tesis se resumen a continuación: para el escenario de la WLAN abierta, en primer lugar se analiza el rendimiento de una red saturada,a partir del cual se propone un algoritmo de configuración que optimiza el rendimiento global de la red, tanto en el modo básico como en el modo multirate. También se propone un algoritmo para detectar usuarios maliciosos en la red. Para el caso de la WLAN cerrada, se presentan algoritmos para caracterizar el comportamiento del retardo (valor medio, desviación típica y función de distribución) de la red en condiciones de no saturación. Con base en estos resultados, se presenta un algoritmo que calcula la configuración óptima para un caso de uso de Voz sobre IP. Por último, se describen resultados experimentales centrados también en este caso de uso. ____________________________________________Nowadays Wireless LANs (WLANs) have become a very popular technology for Internet access. The Medium Access Control algorithm used by today’s WLANs is the one defined by the IEEE 802.11 standard. Recently, the IEEE 802 Working Group has approved a new standard called 802.11e that extends the basic 802.11 algorithm with Quality of Service capabilities. This new standard is based on a number of open parameters the configuration of which is yet an unsolved research issue. Although the standard includes some recommendations for the parameters configuration, these recommendations are statically set and do no guarantee optimized performance. This thesis takes up the issue of designing optimal configuration guidelines for 802.11e EDCA. To this aim, in this thesis two different WLAN scenarios are considered, each scenario driving to a different configuration strategy for the setting of the parameters: In the first scenario, which we call open WLAN, an open scenario like e.g. a hot-spot is assumed. In such scenario, the network cannot rely on the traffic characterization and requirements declared by the users, as users could potentially declare different values than the real ones thereby gaining additional resources from the network. Such users could even saturate their wireless access (i.e. by having always packets ready for transmission) in order to obtain extra resources. For this scenario, we propose an optimal configuration that guarantees optimal operation even in the presence of users saturating their channel. Given the untrusted nature of this scenario, mechanisms that detect malicious behaviours are devised. In the second scenario, the closed WLAN, users’behaviour can be trusted. An example of such a scenario could be an office setting in which only trusted employees are allowed to connect to the network. In this case, the source behaviour declared by the users, as well as their Quality of Service requirements, can be used in order to compute an optimal configuration that optimizes the behaviour given this information. Note that with this scenario, given that more information is known, it is possible to choose a parameter configuration that better meets the requirements and characteristics of the sources. The main contributions of this thesis are summarized as follows. For the open WLAN scenario, we first analyze the performance of a saturated WLAN and then, based on this analysis, we propose configuration algorithms that optimize the overall network performance both in the basic and multirate modes.We also propose an algorithm to detect malicious users in this scenario. For the closed WLAN scenario, we present novel algorithms to compute the delay performance (average delay, typical deviation and delay distribution) of a nonsaturated WLAN. Next, based on these analysis, we present an algorithm for computing the optimal configuration for the use case of VoIP traffic. Finally, we present some experimental results for this use case

New Challenges in Quality of Services Control Architectures in Next Generation Networks

A mesura que Internet i les xarxes IP s'han anat integrant dins la societat i les corporacions, han anat creixent les expectatives de nous serveis convergents així com les expectatives de qualitat en les comunicacions. Les Next Generation Networks (NGN) donen resposta a les noves necessitats i representen el nou paradigma d'Internet a partir de la convergència IP. Un dels aspectes menys desenvolupats de les NGN és el control de la Qualitat del Servei (QoS), especialment crític en les comunicacions multimèdia a través de xarxes heterogènies i/o de diferents operadors. A més a més, les NGN incorporen nativament el protocol IPv6 que, malgrat les deficiències i esgotament d'adreces IPv4, encara no ha tingut l'impuls definitiu.Aquesta tesi està enfocada des d'un punt de vista pràctic. Així doncs, per tal de poder fer recerca sobre xarxes de proves (o testbeds) que suportin IPv6 amb garanties de funcionament, es fa un estudi en profunditat del protocol IPv6, del seu grau d'implementació i dels tests de conformància i interoperabilitat existents que avaluen la qualitat d'aquestes implementacions. A continuació s'avalua la qualitat de cinc sistemes operatius que suporten IPv6 mitjançant un test de conformància i s'implementa el testbed IPv6 bàsic, a partir del qual es farà la recerca, amb la implementació que ofereix més garanties.El QoS Broker és l'aportació principal d'aquesta tesi: un marc integrat que inclou un sistema automatitzat per gestionar el control de la QoS a través de sistemes multi-domini/multi-operador seguint les recomanacions de les NGN. El sistema automatitza els mecanismes associats a la configuració de la QoS dins d'un mateix domini (sistema autònom) mitjançant la gestió basada en polítiques de QoS i automatitza la negociació dinàmica de QoS entre QoS Brokers de diferents dominis, de forma que permet garantir QoS extrem-extrem sense fissures. Aquesta arquitectura es valida sobre un testbed de proves multi-domini que utilitza el mecanisme DiffServ de QoS i suporta IPv6.L'arquitectura definida en les NGN permet gestionar la QoS tant a nivell 3 (IP) com a nivell 2 (Ethernet, WiFi, etc.) de forma que permet gestionar també xarxes PLC. Aquesta tesi proposa una aproximació teòrica per aplicar aquesta arquitectura de control, mitjançant un QoS Broker, a les noves xarxes PLC que s'estan acabant d'estandarditzar, i discuteix les possibilitats d'aplicació sobre les futures xarxes de comunicació de les Smart Grids.Finalment, s'integra en el QoS Broker un mòdul per gestionar l'enginyeria del tràfic optimitzant els dominis mitjançant tècniques de intel·ligència artificial. La validació en simulacions i sobre un testbed amb routers Cisco demostra que els algorismes genètics híbrids són una opció eficaç en aquest camp.En general, les observacions i avenços assolits en aquesta tesi contribueixen a augmentar la comprensió del funcionament de la QoS en les NGN i a preparar aquests sistemes per afrontar problemes del món real de gran complexitat.A medida que Internet y las redes IP se han ido integrando dentro de la sociedad y las corporaciones, han ido creciendo las expectativas de nuevos servicios convergentes así como las expectativas de calidad en las comunicaciones. Las Next Generation Networks (NGN) dan respuesta a las nuevas necesidades y representan el nuevo paradigma de Internet a partir de la convergencia IP. Uno de los aspectos menos desarrollados de las NGN es el control de la Calidad del Servicio (QoS), especialmente crítico en las comunicaciones multimedia a través de redes heterogéneas y/o de diferentes operadores. Además, las NGN incorporan nativamente el protocolo IPv6 que, a pesar de las deficiencias y agotamiento de direcciones IPv4, aún no ha tenido el impulso definitivo.Esta tesis está enfocada desde un punto de vista práctico. Así pues, con tal de poder hacer investigación sobre redes de prueba (o testbeds) que suporten IPv6 con garantías de funcionamiento, se hace un estudio en profundidad del protocolo IPv6, de su grado de implementación y de los tests de conformancia e interoperabilidad existentes que evalúan la calidad de estas implementaciones. A continuación se evalua la calidad de cinco sistemas operativos que soportan IPv6 mediante un test de conformancia y se implementa el testbed IPv6 básico, a partir del cual se realizará la investigación, con la implementación que ofrece más garantías.El QoS Broker es la aportación principal de esta tesis: un marco integrado que incluye un sistema automatitzado para gestionar el control de la QoS a través de sistemas multi-dominio/multi-operador siguiendo las recomendaciones de las NGN. El sistema automatiza los mecanismos asociados a la configuración de la QoS dentro de un mismo dominio (sistema autónomo) mediante la gestión basada en políticas de QoS y automatiza la negociación dinámica de QoS entre QoS brokers de diferentes dominios, de forma que permite garantizar QoS extremo-extremo sin fisuras. Esta arquitectura se valida sobre un testbed de pruebas multi-dominio que utiliza el mecanismo DiffServ de QoS y soporta IPv6. La arquitectura definida en las NGN permite gestionar la QoS tanto a nivel 3 (IP) o como a nivel 2 (Ethernet, WiFi, etc.) de forma que permite gestionar también redes PLC. Esta tesis propone una aproximación teórica para aplicar esta arquitectura de control, mediante un QoS Broker, a las noves redes PLC que se están acabando de estandardizar, y discute las posibilidades de aplicación sobre las futuras redes de comunicación de las Smart Grids.Finalmente, se integra en el QoS Broker un módulo para gestionar la ingeniería del tráfico optimizando los dominios mediante técnicas de inteligencia artificial. La validación en simulaciones y sobre un testbed con routers Cisco demuestra que los algoritmos genéticos híbridos son una opción eficaz en este campo.En general, las observaciones y avances i avances alcanzados en esta tesis contribuyen a augmentar la comprensión del funcionamiento de la QoS en las NGN y en preparar estos sistemas para afrontar problemas del mundo real de gran complejidad.The steady growth of Internet along with the IP networks and their integration into society and corporations has brought with it increased expectations of new converged services as well as greater demands on quality in communications. The Next Generation Networks (NGNs) respond to these new needs and represent the new Internet paradigm from the IP convergence. One of the least developed aspects in the NGNs is the Quality of Service (QoS) control, which is especially critical in the multimedia communication through heterogeneous networks and/or different operators. Furthermore, the NGNs natively incorporate the IPv6 protocol which, despite its shortcomings and the depletion of IPv4 addresses has not been boosted yet.This thesis has been developed with a practical focus. Therefore, with the aim of carrying out research over testbeds supporting the IPv6 with performance guarantees, an in-depth study of the IPv6 protocol development has been conducted and its degree of implementation and the existing conformance and interoperability tests that evaluate these implementations have been studied. Next, the quality of five implementations has been evaluated through a conformance test and the basic IPv6 testbed has been implemented, from which the research will be carried out. The QoS Broker is the main contribution to this thesis: an integrated framework including an automated system for QoS control management through multi-domain/multi-operator systems according to NGN recommendations. The system automates the mechanisms associated to the QoS configuration inside the same domain (autonomous system) through policy-based management and automates the QoS dynamic negotiation between peer QoS Brokers belonging to different domains, so it allows the guarantee of seamless end-to-end QoS. This architecture is validated over a multi-domain testbed which uses the QoS DiffServ mechanism and supports IPv6.The architecture defined in the NGN allows QoS management at level 3 (IP) as well as at level 2 (e.g. Ethernet, WiFi) so it also facilitates the management of PLC networks. Through the use of a QoS Broker, this thesis proposes a theoretical approach for applying this control architecture to the newly standardized PLC networks, and discusses the possibilities of applying it over the future communication networks of the Smart Grids.Finally, a module for managing traffic engineering which optimizes the network domains through artificial intelligence techniques is integrated in the QoS Broker. The validations by simulations and over a Cisco router testbed demonstrate that hybrid genetic algorithms are an effective option in this area.Overall, the advances and key insights provided in this thesis help advance our understanding of QoS functioning in the NGNs and prepare these systems to face increasingly complex problems, which abound in current industrial and scientific applications