Recent Advances on Telematics Engineering

Agüero, R.; Payeras Capella, MM.; Lloret, J.; Femenias, G. (2017). Recent Advances on Telematics Engineering. Mobile Networks and Applications. 22(6):1065-1067. https://doi.org/10.1007/s11036-017-0836-71065106722

Contribution to design a communication framework for vehicular ad hoc networks in urban scenarios

The constant mobility of people, the growing need to be always connected, the large number of vehicles that nowadays can be found in the roads and the advances in technology make Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) be a major area of research. Vehicular Ad hoc Networks are a special type of wireless Mobile Ad hoc Networks (MANETs), which allow a group of mobile nodes configure a temporary network and maintain it without the need of a fixed infrastructure. A vehicular network presents some specific characteristics, as the very high speed of nodes. Due to this high speed the topology changes are frequent and the communication links may last only a few seconds. Smart cities are now a reality and have a direct relationship with vehicular networks. With the help of existing infrastructure such as traffic lights, we propose a scheme to update and analyse traffic density and a warning system to spread alert messages. With this, traffic lights assist vehicular networks to take proper decisions. This would ensure less congested streets. It would also be possible that the routing protocol forwards data packets to vehicles on streets with enough neighbours to increase the possibility of delivering the packets to destination. Sharing updated, reliable and real-time information, about traffic conditions, weather or security alerts, increases the need of algorithms for the dissemination of information that take into account the main beneffits and constraints of these networks. For all this, routing protocols for vehicular networks have the difficult task to select and establish transmission links to send the data packets from source to destination through multiple nodes using intermediate vehicles efficiently. The main objective of this thesis is to provide improvements in the communication framework for vehicular networks to improve decisions to select next hops in the moment to send information, in this way improving the exchange of information to provide suitable communication to minimize accidents, reduce congestion, optimize resources for emergencies, etc. Also, we include intelligence to vehicles at the moment to take routing decisions. Making them map-aware, being conscious of the presence of buildings and other obstacles in urban environments. Furthermore, our proposal considers the decision to store packets for a maximum time until finding other neighbouring nodes to forward the packets before discarding them. For this, we propose a protocol that considers multiple metrics that we call MMMR (A Multimetric, Map-Aware Routing Protocol ). MMMR is a protocol based on geographical knowledge of the environment and vehicle location. The metrics considered are the distance, the density of vehicles in transmission range, the available bandwidth and the future trajectory of the neighbouring nodes. This allows us to have a complete view of the vehicular scenario to anticipate the driver about possible changes that may occur. Thus, a node can select a node among all its neighbours, which is the best option to increase the likelihood of successful packet delivery, minimizing time and offering a level of quality and service. In the same way, being aware of the increase of information in wireless environments, we analyse the possibility of offering anonymity services. We include a mechanism of anonymity in routing protocols based on the Crowd algorithm, which uses the idea of hiding the original source of a packet. This allowed us to add some level of anonymity on VANET routing protocols. The analytical modeling of the available bandwidth between nodes in a VANET, the use of city infrastructure in a smart way, the forwarding selection in data routing byvehicles and the provision of anonymity in communications, are issues that have been addressed in this PhD thesis. In our research work we provide contributions to improve the communication framework for Vehicular Ad hoc Networks obtaining benefits toenhance the everyday of the population.La movilidad constante de las personas y la creciente necesidad de estar conectados en todo momento ha hecho de las redes vehiculares un área cuyo interés ha ido en aumento. La gran cantidad de vehículos que hay en la actualidad, y los avances tecnológicos han hecho de las redes vehiculares (VANETS, Vehicular Ad hoc Networks) un gran campo de investigación. Las redes vehiculares son un tipo especial de redes móviles ad hoc inalámbricas, las cuales, al igual que las redes MANET (Mobile Ad hoc Networks), permiten a un grupo de nodos móviles tanto configurar como mantener una red temporal por si mismos sin la necesidad de una infraestructura fija. Las redes vehiculares presentan algunas características muy representativas, por ejemplo, la alta velocidad que pueden alcanzar los nodos, en este caso vehículos. Debido a esta alta velocidad la topología cambia frecuentemente y la duración de los enlaces de comunicación puede ser de unos pocos segundos. Estas redes tienen una amplia área de aplicación, pudiendo tener comunicación entre los mismos nodos (V2V) o entre los vehículos y una infraestructura fija (V2I). Uno de los principales desafíos existentes en las VANET es la seguridad vial donde el gobierno y fabricantes de automóviles han centrado principalmente sus esfuerzos. Gracias a la rápida evolución de las tecnologías de comunicación inalámbrica los investigadores han logrado introducir las redes vehiculares dentro de las comunicaciones diarias permitiendo una amplia variedad de servicios para ofrecer. Las ciudades inteligentes son ahora una realidad y tienen una relación directa con las redes vehiculares. Con la ayuda de la infraestructura existente, como semáforos, se propone un sistema de análisis de densidad de tráfico y mensajes de alerta. Con esto, los semáforos ayudan a la red vehicular en la toma de decisiones. Así se logrará disponer de calles menos congestionadas para hacer una circulación más fluida (lo cual disminuye la contaminación). Además, sería posible que el protocolo de encaminamiento de datos elija vehículos en calles con suficientes vecinos para incrementar la posibilidad de entregar los paquetes al destino (minimizando pérdidas de información). El compartir información actualizada, confiable y en tiempo real sobre el estado del tráfico, clima o alertas de seguridad, aumenta la necesidad de algoritmos de difusión de la información que consideren los principales beneficios y restricciones de estas redes. Así mismo, considerar servicios críticos que necesiten un nivel de calidad y servicio es otro desafío importante. Por todo esto, un protocolo de encaminamiento para este tipo de redes tiene la difícil tarea de seleccionar y establecer enlaces de transmisión para enviar los datos desde el origen hacia el destino vía múltiples nodos utilizando vehículos intermedios de una manera eficiente. El principal objetivo de esta tesis es ofrecer mejoras en los sistemas de comunicación vehicular que mejoren la toma de decisiones en el momento de realizar el envío de la información, con lo cual se mejora el intercambio de información para poder ofrecer comunicación oportuna que minimice accidentes, reduzca atascos, optimice los recursos destinados a emergencias, etc. Así mismo, incluimos más inteligencia a los coches en el momento de tomar decisiones de encaminamiento de paquetes. Haciéndolos conscientes de la presencia de edificios y otros obstáculos en los entornos urbanos. Así como tomar la decisión de guardar paquetes durante un tiempo máximo de modo que se encuentre otros nodos vecinos para encaminar paquetes de información antes de descartarlo. Para esto, proponemos un protocolo basado en múltiples métricas (MMMR, A Multimetric, Map-aware Routing Protocol ) que es un protocolo geográfio basado en el conocimiento del entorno y localización de los vehículos. Las métricas consideradas son la distancia, la densidad de vehículos en el área de transmisión, el ancho de banda disponible y la trayectoria futura de los nodos vecinos. Esto nos permite tener una visión completa del escenario vehicular y anticiparnos a los posibles cambios que puedan suceder. Así, un nodo podrá seleccionar aquel nodo entre todos sus vecinos posibles que sea la mejor opción para incrementar la posibilidad de entrega exitosa de paquetes, minimizando tiempos y ofreciendo un cierto nivel de calidad y servicio. De la misma manera, conscientes del incremento de información que circula por medios inalámbricos, se analizó la posibilidad de servicios de anonimato. Incluimos pues un mecanismo de anonimato en protocolos de encaminamiento basado en el algoritmo Crowd, que se basa en la idea de ocultar la fuente original de un paquete. Esto nos permitió añadir cierto nivel de anonimato que pueden ofrecer los protocolos de encaminamiento. El modelado analítico del ancho de banda disponible entre nodos de una VANET, el uso de la infraestructura de la ciudad de una manera inteligente, la adecuada toma de decisiones de encaminamiento de datos por parte de los vehículos y la disposición de anonimato en las comunicaciones, son problemas que han sido abordados en este trabajo de tesis doctoral que ofrece contribuciones a la mejora de las comunicaciones en redes vehiculares en entornos urbanos aportando beneficios en el desarrollo de la vida diaria de la población

Actas de las XIV Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL 2019) Zaragoza (España) 22-24 de octubre de 2019

En esta ocasión, es la ciudad de Zaragoza la encargada de servir de anfitriona a las XIV Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL 2019), que se celebrarán del 22 al 24 de octubre de 2019. Las Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL), organizadas por la Asociación de Telemática (ATEL), constituyen un foro propicio de reunión, debate y divulgación para los grupos que imparten docencia e investigan en temas relacionados con las redes y los servicios telemáticos. Con la organización de este evento se pretende fomentar, por un lado el intercambio de experiencias y resultados, además de la comunicación y cooperación entre los grupos de investigación que trabajan en temas relacionados con la telemática. En paralelo a las tradicionales sesiones que caracterizan los congresos científicos, se desea potenciar actividades más abiertas, que estimulen el intercambio de ideas entre los investigadores experimentados y los noveles, así como la creación de vínculos y puntos de encuentro entre los diferentes grupos o equipos de investigación. Para ello, además de invitar a personas relevantes en los campos correspondientes, se van a incluir sesiones de presentación y debate de las líneas y proyectos activos de los mencionados equipos

Physical Sensors for Precision Aquaculture: A Review

(c) 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this[EN] Aquaculture is presented as a sustainable method to provide fish, although in reality, it is far from being sustainable. Its negative impacts on the environment can be prevented and corrected by the use of sensors, developing precision aquaculture. Sensors are widely used in terrestrial applications, but in underwater environments, their use is constrained by a variety of issues. The aim of this paper is to describe the state-of-the-art of the underwater sensors for water quality monitoring. First, the requirements and challenges of underwater sensors for aquaculture monitoring are discussed in detail. The main challenges are the need of a waterproof isolation or the need to avoid corrosion and biofouling, among others. Second, there are some advantages compared with the terrestrial applications, such as no need of minimized systems or the fact that such systems only require low accuracy. Subsequently, we evaluated the different options available to sense each variable, related to the needs of the aquaculture sensors. For temperature monitoring, thermistors, thermocouples or RTC seem to offer similar advantages. In contrast, for dissolved oxygen monitoring, the optical method seems to be the best option. For turbidity, optical methods are the most employed ones, while for conductivity measurements, the inductive coils are a promising option.This work was supported by the pre-doctoral student grant "Ayudas para contratos predoctorales de Formacion del Profesorado Universitario FPU (Convocatoria 2014)" with reference: FPU14/02953 by the Ministerio de Educacion, Cultura y Deporte.Parra-Boronat, L.; Lloret Mauri, G.; Lloret, J.; Rodilla, M. (2018). Physical Sensors for Precision Aquaculture: A Review. IEEE Sensors Journal. 18(10):3915-3923. https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2817158S39153923181

Contributions to provide a QoS-aware self-configured framework for video-streaming services over ad hoc networks

Aplicat embargament des del dia 27 d'octubre de 2021 fins 31 de juliol de 2022Ad hoc networks have attracted much attention from the research community over the last years and important technical advances have risen as a consequence. These networks are foreseen as an important kind of next generation access networks, where multimedia services will be demanded by end users from their wireless devices everywhere. In this thesis, we specially focus our research work on mobile ad hoc networks (MANETs) and on vehicular ad hoc networks (VANETs), two kind of ad hoc networks over which interesting multimedia services can be provided. The special haracteristics of MANETs/VANETs, such as mobility, dynamic network topology (specially in VANETs), energy constraints (in case of MANETs), infrastructureless and variable link capacity, make the QoS (Quality of Service) provision over these networks an important challenge for the research community. Due to that, there is a need to develop new routing protocols specially designed for MANETs and VANETs able to provide multimedia services. The main objective of this thesis is to contribute in the development of the communication framework for MANETs and VANETs to improve decisions to select paths or next hops in the moment of forwarding video-reporting messages. In this way, it would be possible to have a quick answer to manage daily problems in the city and help the emergency units (e.g., police, ambulances, health care units) in case of incidents (e.g., traffic accidents). Furthermore, in case of VANETs, a real scenario must be created and thus we have analysed the presence of obstacles in real maps. Also, in case of an obstacle found between the current forwarding node and the candidate next forwarding node, the packet is stored in a buffer, for a maximum time, until a forwarding neighbour node is found; otherwise, the packet is dropped. To improve the communication framework for MANETs, we propose a new routing protocol based on a game-theoretical scheme for N users specially designed to transmit video-reporting messages. Our proposal makes the network more efficient and provides a higher degree of satisfaction of the users by receiving much more packets with a lower average end-to-end delay, lower jitter and higher PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio). In addition, we propose a geographical routing protocol for VANETs that considers multiple metrics named 3MRP (Multimedia Multimetric Map-Aware Routing Protocol) [1]. 3MRP is a geographical protocol based on hop-by-hop forwarding. The metrics considered in 3MRP are the distance, the density of vehicles in transmission range, the available bandwidth, the future trajectory of the neighbouring nodes and the MAC layer losses. Those metrics are weighted to obtain a multimetric score. Thus, a node selects another node among its neighbours as the best forwarding node to increase the percentage of successful packet delivery, minimizing the average packet delay and offering a certain level of quality and service. Furthermore, a new algorithm named DSW (Dynamic Self-configured Weights) computes for each metric its corresponding weight depending on the current network conditions. As a consequence, nodes are classiffied in a better way.Les xarxes sense fils ad hoc han captat molt l'atenció per part de la comunitat científica en els últims anys, a més dels importants avenços tècnics que han sorgit. Aquestes xarxes es preveuen com un tipus important de xarxes d'accés de nova generació, a on els serveis multimèdia seran requerits pels usuaris a través dels seus dispositius sense fils desde tot arreu. En aquesta tesi, centrem el nostre treball especialment en les xarxes mòbils ad hoc (MANET, Mobile Ad hoc Network) i en les xarxes vehiculars ad hoc (VANET, Vehicular Ad hoc Network). Les característiques especials de les MANETs i les VANETs, com la mobilitat, la topologia dinàmica de la xarxa (especialment en VANETs), les restriccions de bateria (en cas de MANETs), l'absència d'infrastructura i la capacitat variable de l'enllaç sense fil fa que la provisió de la qualitat de servei en aquestes xarxes sigui un repte important per a la comunitat científica. A causa d'això, hi ha la necessitat de desenvolupar nous protocols d'encaminament especialment dissenyats per a MANETs i VANETs capaços de proporcionar els serveis de multimèdia requerits. L'objectiu principal d'aquesta tesi és proveir millores en la comunicació per a les xarxes ad hoc MANET i VANET per millorar les decisions a l'hora de seleccionar els propers camins o nodes, respectivament, en el moment de l'enviament de les trames del video. D'aquesta manera serà possible tenir una resposta ràpida per resoldre els problema diaris a la ciutat i ajudar a les unitats d'emergència (per exemple, policia, ambulàncies, unitats de salut) en cas d'incidents, com ara els accidents de trànsit. Per analitzar adequadament les nostres propostes sobre VANETs hem dissenyat un entorn de simulació realista que incorpora la presència d'edificis en mapes reals i en el cas que hi hagi un obstacle entre el node actual i el candidat per a ser el pròxim salt el paquet s'emmagatzema en un buffer, per un temps màxim, fins a trobar un nou candidat; en cas contrari, es descarta el paquet. Per millorar les comunicacions en les MANETs, proposem un nou protocol d'encaminament basat en teoria de jocs per a N usuaris especialment dissenyat per a enviar missatges de vídeo. Això fa que la xarxa sigui més eficient, i així s'aconsegueix un major grau de satisfacció dels usuaris en rebre molts més paquets amb un menor retard mig extrem a extrem, menor variació del retard (jitter ) i major PSNR (Relació Senyal Soroll de Pic) . A més, es proposa un protocol d'encaminament geogràfic basat en el reenviament hop-by-hop per a VANETs anomenat 3MRP (Multimedia Multimetric Map-Aware Routing Protocol ) [1] que prèn en consideració múltiples mètriques. Les mètriques considerades en 3MRP són la distància a destinació, la densitat de vehicles en el rang de transmissió, l'ample de banda disponible, la trajectòria futura dels nodes veíns i la perdua de paquets a la capa MAC. Aquestes mètriques es ponderen per a obtenir una puntuació multimètrica. Així, un node pot seleccionar el millor node de reenviament entre tots els seus veíns per augmentar la probabilitat d' èxit de lliurament de paquets, minimitzant el retard mitjà dels paquets i oferint un cert nivell de qualitat de servei.Las redes ad hoc han llamado mucho la atención por parte de la comunidad científica en los últimos años, además de los importantes avances técnicos que han surgido. Estas redes se prevén como un tipo importante de redes de acceso de nueva generación, donde los servicios multimedia sean requeridos por los usuarios a través de sus dispositivos inalámbricos desde todas partes. En esta tesis, centramos nuestro trabajo de investigación especialmente en las redes móviles ad hoc (MANET, Mobile Ad hoc Network) y las redes vehiculares ad hoc (VANET, Vehicular Ad hoc Network). Las características especiales de las MANETs y las VANETs, como la movilidad, la topología dinámica de la red (especialmente en VANETs), las restricciones de batería (en caso de MANETs), la ausencia de infraestructura y la capacidad variable del enlace inalámbrico hace que la provisión de la calidad de servicio en estas redes sea un reto importante para la comunidad científica. Debido a esto, existe la necesidad de desarrollar nuevos protocolos de encaminamiento especialmente diseñados para MANETs y VANETs capaces de proporcionar los servicios de multimedia requeridos. El objetivo principal de esta tesis es proveer mejoras en la comunicación para las redes ad hoc MANET y VANET para mejorar las decisiones a la hora de seleccionar los próximos caminos o nodos, respectivamente, en el momento del envío de las tramas del video y de esta manera sería posible tener una respuesta rápida para resolver los problema diarios en la ciudad y ayudar a las unidades de emergencia (por ejemplo, policía, ambulancias, unidades de salud) en caso de incidentes, como accidentes de tráfico. Para analizar adecuadamente nuestras propuestas sobre VANETs hemos diseñado un entorno de simulación realista que incorpora la presencia de edificios en mapas reales. En el caso de que haya un obstáculo entre el nodo actual y el candidato para ser el próximo salto el paquete se almacena en un buer, durante un tiempo máximo, hasta encontrar un nuevo candidato; en caso contrario, se descarta el paquete. Para mejorar las comunicaciones en las MANETs, proponemos un nuevo protocolo de encaminamiento basado en teoría de juegos para N usuarios especialmente diseñados para enviar mensajes de video. Esto hace que la red sea más eficiente, y así se consigue un mayor grado de satisfacción de los usuarios al recibir muchos más paquetes con un menor promedio de retardo de extremo a extremo, variación de retardo (jitter) y mayor PSNR (Relación Señal a Ruido de Pico). Además, se propone un protocolo de encaminamiento geográfico basado en el reenvío de salto-a-salto para VANETs llamado 3MRP (Multimedia multimetric Map-Aware Routing Protocol) [1] que incluye diversas métricas. Las métricas consideradas en 3MRP son la distancia al destino, la densidad de vehículos en el rango de transmisión, el ancho de banda disponible, la trayectoria futura de los nodos vecinos y la pérdida de paquetes en la capa MAC. Estas métricas se ponderan para obtener una puntuación multimetricanal. Así, un nodo puede seleccionar el mejor nodo de reenvío entre todos sus vecinos para aumentar la probabilidad de éxito de entrega de paquetes, minimizando el retardo medio de los paquetes y ofreciendo un cierto nivel de calidad de servicio. Por otra parte, se ha diseñado un nuevo algoritmo capaz de dar a cada métrica su correspondiente peso en función de las condiciones actuales de la red. De esta forma, los nodos se pueden clasificar de una mejor manera. Por último, se propone un nuevo protocolo de encaminamiento para VANETs llamado G-3MRP (Game Theoretical Multimedia Multimetric Map-aware Routing Protocol) [2] para enviar mensajes de video basado en teoría de juegos para N usuarios en escenarios urbanos. G-3MRP se basa en el protocolo de encaminamiento 3MRP. G-3MRP utiliza hasta tres nodos a través de los cuales los tres tipos de cuadros de video I, P y B serán enviados. Las métricas utilizadas son las mismas que en 3MRP. G-3MRP logra una mayor grado de satisfacción de los usuarios mediante la recepción de muchos más paquetes de video y con un mayor nivel de PSNR, que la anterior propuesta 3MRP+DSW. También hemos analizado el problema de detección de obstáculos en mapas reales para VANETs en escenarios urbanos. Para este propósito, hemos desarrollado nuestra herramienta REVsim [3] de tal forma que puede estar fácilmente integrada en nuestra propuesta de protocolo de encaminamiento para que las simulaciones sean más realistas.Postprint (published version

XIII Jornadas de ingeniería telemática (JITEL 2017)

Las Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL), organizadas por la Asociación de Telemática (ATEL), constituyen un foro propicio de reunión, debate y divulgación para los grupos que imparten docencia e investigan en temas relacionados con las redes y los servicios telemáticos. Con la organización de este evento se pretende fomentar, por un lado el intercambio de experiencias y resultados, además de la comunicación y cooperación entre los grupos de investigación que trabajan en temas relacionados con la telemática. En paralelo a las tradicionales sesiones que caracterizan los congresos científicos, se desea potenciar actividades más abiertas, que estimulen el intercambio de ideas entre los investigadores experimentados y los noveles, así como la creación de vínculos y puntos de encuentro entre los diferentes grupos o equipos de investigación. Para ello, además de invitar a personas relevantes en los campos correspondientes, se van a incluir sesiones de presentación y debate de las líneas y proyectos activos de los mencionados equiposLloret Mauri, J.; Casares Giner, V. (2018). XIII Jornadas de ingeniería telemática (JITEL 2017). Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/97612EDITORIA

Study, evaluation and contributions to new algorithms for the embedding problem in a network virtualization environment

Network virtualization is recognized as an enabling technology for the future Internet. It aims to overcome the resistance of the current Internet to architectural change and to enable a new business model decoupling the network services from the underlying infrastructure. The problem of embedding virtual networks in a substrate network is the main resource allocation challenge in network virtualization and is usually referred to as the Virtual Network Embedding (VNE) problem. VNE deals with the allocation of virtual resources both in nodes and links. Therefore, it can be divided into two sub-problems: Virtual Node Mapping where virtual nodes have to be allocated in physical nodes and Virtual Link Mapping where virtual links connecting these virtual nodes have to be mapped to paths connecting the corresponding nodes in the substrate network. Application of network virtualization relies on algorithms that can instantiate virtualized networks on a substrate infrastructure, optimizing the layout for service-relevant metrics. This class of algorithms is commonly known as VNE algorithms. This thesis proposes a set of contributions to solve the research challenges of the VNE that have not been tackled by the research community. To do that, it performs a deep and comprehensive survey of virtual network embedding. The first research challenge identified is the lack of proposals to solve the virtual link mapping stage of VNE using single path in the physical network. As this problem is NP-hard, existing proposals solve it using well known shortest path algorithms that limit the mapping considering just one constraint. This thesis proposes the use of a mathematical multi-constraint routing framework called paths algebra to solve the virtual link mapping stage. Besides, the thesis introduces a new demand caused by virtual link demands into physical nodes acting as intermediate (hidden) hops in a path of the physical network. Most of the current VNE approaches are centralized. They suffer of scalability issues and provide a single point of failure. In addition, they are not able to embed virtual network requests arriving at the same time in parallel. To solve this challenge, this thesis proposes a distributed, parallel and universal virtual network embedding framework. The proposed framework can be used to run any existing embedding algorithm in a distributed way. Thereby, computational load for embedding multiple virtual networks is spread across the substrate network Energy efficiency is one of the main challenges in future networking environments. Network virtualization can be used to tackle this problem by sharing hardware, instead of requiring dedicated hardware for each instance. Until now, VNE algorithms do not consider energy as a factor for the mapping. This thesis introduces the energy aware VNE where the main objective is to switch off as many network nodes and interfaces as possible by allocating the virtual demands to a consolidated subset of active physical networking equipment. To evaluate and validate the aforementioned VNE proposals, this thesis helped in the development of a software framework called ALgorithms for Embedding VIrtual Networks (ALEVIN). ALEVIN allows to easily implement, evaluate and compare different VNE algorithms according to a set of metrics, which evaluate the algorithms and compute their results on a given scenario for arbitrary parameters

Energy-aware routing techniques for software-defined networks

Achieving energy efficiency has recently become a key topic of networking research due to the ever-increasing power consumption and CO2 emissions generated by large data networks. This problem is becoming even more concerning and challenging given the drastic traffic increase expected over the next few years. However, the use of efficient energy-aware strategies could overturn this situation reducing the electricity consumption of Internet data transmission networks, as well as contributing to mitigate the environmental impact of other sectors. The existence of redundant network elements with high capacities is a common design practice in current network infrastructures in order to face suddenly failures or peak traffic flows. However, these additional resources remain either unused or barely used most of the time leading to an undesired energy waste. Therefore, putting into sleep mode (i.e. a low-power state) unused elements is an effective and widely-accepted strategy to decrease the consumption of data networks. In this context, SDN can be seen as an attractive solution to achieve the long-awaited energy efficiency in current communications systems, since they allow a flexible programmability suitable for this problem. This doctoral thesis tackles the problem of optimizing the power consumption in SDN through the design of energy-aware routing techniques that minimize the number of network elements required to satisfy an incoming traffic load. Different from existing related works, we focus on optimizing energy consumption in SDN with in-band control traffic in order to close this important gap in the literature and provide solutions compatible with operational backbone networks. Complementing the general aim of improving the energy efficiency in SDN, this research is also intended to cover important related features such as network performance, QoS requirements and real-time operation. Accordingly, this study gives a general perspective about the use of energy efficient routing techniques, which cover integrated routing considerations for the data and control plane traffic in SDN. By using realistic input data, significant values of switched-off links and nodes are reached, which demonstrates the great opportunity for saving energy given by our proposals. The obtained results have also validated the intrinsic trade-off between environmental and performance concerns, considering several performance indicators. These findings confirm that energy-aware routing schemes should be designed considering specific traffic requirements and performance metric bounds. Moreover, it is shown that jointly considering QoS requirements and energy awareness is an effective approach to improve, not only the power consumption, but the performance on critical parameters such as control traffic delay and blocking rate. Similarly, the proposed dynamic traffic allocation with congestion-aware rerouting is able to handle demanding traffic arrival without degrading the performance of higher priority traffic. In general, our proposals are fine-grained, easy to implement and quite balanced and effective in their results looking for a suitable and readily deployment in real-world SDN scenarios. Therefore, the conducted research and contributions reported through this document not only add to what is known about the potential of energy-aware routing techniques, but also stand as a valuable solution on the road to a sustainable networking.L'assoliment de l'eficiència energètica s'ha convertit recentment en un tema clau de recerca de xarxes a causa dels creixents nivells de consum d'energia i emissions de CO2 generats per les xarxes de dades. Aquest problema es torna cada vegada més preocupant i desafiant, donat el dràstic augment del trànsit esperat en els propers anys. No obstant això, l'ús d'estratègies energètiques eficients podria invertir aquesta situació, reduint el consum d'electricitat de les xarxes de dades d'Internet i contribuint a mitigar l'impacte ambiental d'altres sectors. L'existència d'elements de xarxa redundants i amb grans capacitats és una pràctica de disseny habitual en les infraestructures de xarxes actuals per afrontar fallades sobtades o fluxos de trànsit més elevats. Tanmateix, aquests recursos addicionals romanen poc o gens utilitzats la major part del temps, generant un desaprofitament d'energia no desitjat. Per tant, posar en mode de repòs (és a dir, un estat de baixa potència) elements no utilitzats és una estratègia efectiva i àmpliament acceptada per disminuir el consum en xarxes de dades. En aquest context, les xarxes definides per programari (SDN) es poden considerar una solució atractiva per aconseguir l'esperada eficiència energètica en els sistemes de comunicacions actuals, ja que permeten una flexible programabilitat idònia per a aquest problema. Aquesta tesi doctoral aborda el problema d'optimitzar el consum d'energia en SDN a través del disseny de tècniques d'encaminament conscients de l'energia que minimitzen la quantitat d'elements de xarxa necessaris per satisfer una càrrega de trànsit entrant. Diferent dels treballs existents, aquesta tesi es centra a optimitzar el consum d'energia en SDN amb el control de tràfic dins de banda per tancar aquesta important bretxa en la literatura i proporcionar solucions compatibles amb xarxes troncals operatives. Complementant l'objectiu general de millorar l'eficiència energètica en SDN, aquesta recerca també pretén cobrir altres importants paràmetres relacionats, com ara el rendiment de la xarxa, els requisits de qualitat de servei (QoS) i el funcionament en temps real. En conseqüència, aquest estudi ofereix una perspectiva general sobre l'ús de tècniques d'encaminament eficients energèticament, que contempla consideracions integrades per al tràfic de dades i del pla de control en SDN. Prenent dades d'entrada realistes, es van aconseguir desconnectar significatives quantitats d'enllaços i nodes, la qual cosa demostra la gran oportunitat d'estalvi d'energia que ofereixen les nostres propostes. Els resultats obtinguts també validen el estret compromís entre les preocupacions ambientals i les qüestions de rendiment de la xarxa, considerant diversos indicadors de rendiment. Aquests resultats confirmen que els esquemes d'encaminament conscients de l'energia s'han de dissenyar tenint en compte els requisits de tràfic específics i els límits desitjats de les mètriques de rendiment. A més, es demostra que, considerant conjuntament els requisits de QoS i de l'energia necessària, és un enfocament eficaç per millorar, no només el consum d'energia, sinó també el rendiment en paràmetres crítics, com la latència del tràfic de control i la probabilitat de bloqueig. De manera semblant, l'assignació dinàmica de tràfic proposta, amb re-encaminament conscient de la congestió, permet gestionar grans volums de trànsit sense degradar el rendiment de les demandes de major prioritat. En general, les nostres propostes són precises, fàcils d'implementar i bastant equilibrades i efectives en els seus resultats, buscant un desplegament adequat i fàcil en escenaris pràctics de SDN. Per tant, la recerca realitzada i les contribucions contingudes en aquest document no només afegeixen el que es coneix sobre el potencial de les tècniques d'encaminament conscients de l'energia, sinó que també representen una valuosa solució en el camí cap a una xarxa sostenibl

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

Mac-Phy Cross-Layer analysis and design of Mimo-Ofdm Wlans based on fast link adaptation

The latestWLAN standard, known as IEEE 802.11n, has notably increased the network capacity with respect to its predecessors thanks to the incorporation of the multipleinput multiple-output (MIMO) technology. Nonetheless, the new amendment, as its previous ones, does not specify how crucial configuration mechanisms, most notably the adaptive modulation and coding (AMC) algorithm should be implemented. The AMC process has proved essential to fully exploit the system resources in light of varying channel conditions. In this dissertation, a closed-loop AMC technique, referred to as fast link adaption (FLA) algorithm, that effectively selects themodulation and coding scheme (MCS) for multicarriermultiantennaWLAN networks is proposed. The FLA algorithm determines the MCS that maximizes the throughput while satisfying a quality of service (QoS) constraint, usually defined in the form of an objective packet error rate (PER). To this end, FLA uses a packet/bit error rate prediction methodology based on the exponential effective SNRmetric (EESM). The FLA algorithm performance has been evaluated under IEEE 802.11n systems that thanks to the incorporation of a feedbackmechanismare able to implement closed- loop AMC mechanisms. Initially, this AMC technique relies only on physical layer information but it is subsequently extended to also take into account themediumaccess control (MAC) sublayer performance. At the physical layer, the FLA algorithm has demonstrated its effectivity by performing very close to optimality in terms of throughput, while satisfying a prescribed PER constraint. The FLA algorithm has also been evaluated using imperfect channel information. It has been observed that the proposed FLA technique is rather robust against imperfect channel information, and only in highly-frequency selective channels, imperfect channel knowledge causes a noticeable degradation in throughput. At the MAC sublayer, the FLA algorithm has been complemented with a timeout strategy that weighs down the influence of the available channel information as this becomes outdated. This channel information outdate is caused by the MAC sublayer whose user multiplexing policy potentially results in large delays between acquiring the instant in which the channel state information is acquired and that in which the channel is accessed. Results demonstrate the superiority of FLA when compared to open-loop algorithms under saturated and non-saturated conditions and irrespective of the packet length, number of users, protocol (CSMA/CA or CDMA/E2CA) and access scheme (Basic Access or RTS/CTS). Additionally, several analytical models have been developed to estimate the system performance at the MAC sublayer. These models account for all operational details of the IEEE 802.11n MAC sublayer, such as finite number of retries, anomalous slot or channel errors. In particular, a semi-analytical model that assesses the MAC layer throughput under saturated conditions, considering the AMC performance is first introduced. Then, an analytical model that allows the evaluation of the QoS performance under non-saturated conditions is presented. This model focuses on single MCS and it is able to accurately predict very important system performance metrics such as blocking probability, delay, probability of discard or goodput thanks to the consideration of the finite queues on each station. Finally, the previous non-saturated analytical approach is used to define a semi-analytical model in order to estimate the system performance when considering AMC algorithms (i.e. whenmultiple MCSs are available)La darrera versió de l’estàndard deWLAN, anomenada IEEE 802.11n, ha augmentat la seva capacitat notablement en relació als sistemes anteriors gràcies a la incorporació de la tecnologia de múltiples antenes en transmissió i recepció (MIMO). No obstant això, la nova proposta, al igual que les anteriors, segueix sense especificar com s’han d’implementar elsmecanismes de configuraciómés crucials, un dels quals és l’algoritme de codificació imodulació adaptativa (AMC). Aquests algoritmes ja han demostrat la seva importància a l’hora demaximitzar el rendiment del sistema tenint en compte les condicions canviants del canal. En aquesta tesis s’ha proposat un algoritme AMC de llaç tancat, anomenat adaptació ràpida de l’enllaç (FLA), que selecciona eficientment l’esquema demodulació i codificació adaptativa per xarxes WLAN basades en arquitectures multiportadora multiantena. L’algoritme FLA determina el mode de transmissió capaç de maximitzar el throughput per les condicions de canal actuals, mentre satisfà un requisit de qualitat de servei en forma de taxa d’error per paquet (PER). FLA utilitza una metodologia de predicció de PER basada en l’estimació de la relació senyal renou (SNR) efectiva exponencial (EESM). El rendiment de l’algoritme FLA ha estat avaluat en sistemes IEEE 802.11n, ja que aquests, gràcies a la incorporació d’unmecanisme de realimentació demodes de transmissió, poden adoptar solucions AMC de llaç tancat. En una primera part, l’estudi s’ha centrat a la capa física i després s’ha estès a la subcapa MAC. A la capa física s’ha demostrat l’efectivitat de l’algoritme FLA aconseguint un rendiment molt proper al que ens proporcionaria un esquema AMC òptim en termes de throughput, alhora que es satisfan els requisits de PER objectiu. L’algoritme FLA també ha estat avaluat utilitzant informació imperfecte del canal. S’ha vist que l’algoritme FLA proposat és robust en front dels efectes d’estimació imperfecte del canal, i només en canals altament selectius en freqüència, la informació imperfecte del canal provoca una davallada en el rendiment en termes de throughput. A la subcapa MAC, l’algoritme FLA ha estat complementat amb una estratègia de temps d’espera que disminueix la dependència amb la informació de canal disponible a mesura que aquesta va quedant desfassada respecte de l’estat actual. Aquesta informació de canal desfassada és conseqüència de la subcapa MAC que degut a la multiplexació d’usuaris introdueix grans retards entre que es determina el mode de transmissió més adequat i la seva utilització per a l’accés al canal. Els resultats obtinguts han demostrat la superioritat de FLA respecte d’altres algoritmes de llaç obert en condicions de saturació i de no saturació, i independentment de la longitud de paquet, nombre d’usuaris, protocol (CSMA/CA i CSMA/E2CA) i esquema d’accés (Basic Access i RTS/CTS). Amés, s’han desenvolupat diversosmodels analítics per tal d’estimar el rendiment del sistema a la subcapa MAC. Aquests models consideren tots els detalls de funcionament de la subcapaMAC del 802.11n, comper exemple un nombre finit de retransmissions de cada paquet, l’slot anòmal o els errors introduïts pel canal. Inicialment s’ha proposat unmodel semi-analític que determina el throughtput en condicions de saturació, considerant el rendiment dels algoritmes AMC. Després s’ha presentat un model analític que estima el rendiment del sistema per condicions de no saturació, mitjançat elmodelat de cues finites a cada estació. Aquestmodel consideramodes de transmissió fixes i és capaç de determinar de manera molt precisa mètriques de rendimentmolt importants comsón la probabilitat de bloqueig de cada estació, el retard mitjà del paquets, la probabilitat de descart o la mesura del goodput. Finalment, el model analític de no saturació s’ha utilitzat per definir un model semi-analític per tal d’estimar el rendiment del sistema quan es considera l’ús d’algoritmes AMC