New strategies for planning and performance evaluation of wireless networks: case studies based on the cross-layer approach

The use of wireless local area networks, called WLANs, as well as the proliferation of the use of multimedia applications have grown rapidly in recent years. Some factors affect the quality of service (QoS) received by the user and interference is one of them. This work presents strategies for planning and performance evaluation through an empirical study of the QoS parameters of a voice over Internet Protocol (VoIP) application in an interference network, as well as the relevance in the design of wireless networks to determine the coverage area of an access point, taking into account several parameters such as power, jitter, packet loss, delay, and PMOS. Another strategy is based on a hybrid approach that considers measuring and Bayesian inference applied to wireless networks, taking into consideration QoS parameters. The models take into account a cross layer vision of networks, correlating aspects of the physical environment, on the signal propagation (power or distance) with aspects of VoIP applications (e.g., jitter and packet loss). Case studies were carried out for two indoor environments and two outdoor environments, one of them displaying main characteristics of the Amazon region (e.g., densely arboreous environments). This last test bed was carried out in a real system because the Government of the State of Pará has a digital inclusion program called NAVEGAPARÁ.

Controle conjunto de admissão de chamadas em redes sem fio co-localizadas

Gerenciamento de recursos de rádio é um tema importante e desafiador em redes sem fio. Na próxima geração de redes (redes 4G) esse tema é ainda mais desafiador devido à necessidade de gerenciamento de recursos das diversas redes sem fio de forma conjunta. Algoritmos de controle de admissão de chamadas (CAC) é uma alternativa viável e amplamente estudada em redes homogêneas para este fim. Contudo, os algoritmos de CAC propostos para redes homogêneas não são adequados para a próxima geração de redes sem fio por não possuírem uma visão global do sistema. Diante da importância de gerenciamento de recursos de rádio e da escassez de algoritmos de CAC destinados às redes heterogêneas, tem-se este tema como foco primário deste trabalho. Além da confecção de um modelo para controle conjunto de admissão de chamadas através da utilização de processos semi-markovianos de decisão, dada a existência de um conglomerado de tecnologias de acesso sem fio atuando colaborativamente, um estudo é realizado buscando-se avaliar o impacto da proporcionalidade existente entre os tamanhos de áreas de coberturas, no desempenho do sistema.

Arcabouço para aprovisionamento de QoS e QoE em redes sem fio heterogêneas WiMAX/Wi-Fi com garantia de equidade entre vazões

Recentemente a sociedade está vivendo em meio a um aglomerado de dispositivos móveis com múltiplas interfaces sem fio que permitem que clientes móveis domésticos e corporativos solucionem problemas rotineiros no menor espaço de tempo e em diversas localizações. Por outro lado, a disponibilidade de diversas tecnologias de acesso sem fio como: Wi-Fi (Wireless Fidelity), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) e LTE (Long Term Evolution), proporcionam um cenário heterogêneo com diversas oportunidades de conectividade para o usuário de dispositivos com múltiplas interfaces. Alguns dos desafios atuais no contexto da concepção da então denominada NGN (Next Generation Networks) são o desenvolvimento de arcabouços e mecanismos que viabilizem tanto o suporte adequado à Qualidade de Serviço (QoS – Quality of Service) e à Qualidade de Experiência (QoE – Quality of Experience) para aplicações multimídia, quanto a garantia de equidade entre vazões de diferentes aplicações em ambiente heterogêneo. Esta dissertação propõe um arcabouço para o aprovisionamento de QoS e QoE em redes sem fio heterogêneas formada por redes WiMAX e Wi-Fi. Especificamente, nossa solução provê mapeamento estático de QoS entre as classes de serviços WiMAX e categorias de acesso Wi-Fi. Além disso, nossa proposta também combina funcionalidades de equidade entre vazões com a solução de mapeamento, a fim de alcançar um bom compromisso tanto para o operador da rede, quanto para o usuário, através de uma nova metodologia de coleta e calculo de vazão agregada e algoritmo de decisão de handover vertical. A avaliação quantitativa da proposta foi realizada através de modelos de simulação no ns-2 (Network Simulator). Os resultados de desempenho demonstram a eficiência da arquitetura em termos de métricas de QoS (vazão, vazão média e atraso) e QoE (PSRN - Peak Signal to Noise Ratio, SSIM - Structural Similarity Index e VQM - Video Quality Metric).

Planejamento de redes de comunicação sem fio para ambiente indoor considerando os efeitos da polarização das antenas: abordagem baseada em medições

Uma das principais aplicações de ondas eletromagnéticas, na atualidade, na área de telecomunicações trata dos enlaces em sistemas móveis sem fio. Sejam estes terrestres (indoor/outdoor) ou via satélites, o projetista do sistema de telecomunicações tem que ser capaz de determinar os sistemas irradiantes, as potências envolvidas, a frequência de operação do sistema, a área de cobertura e os parâmetros de qualidade do serviço. O planejamento das novas redes de comunicações sem fio representa um grande desafio ao incluir serviços cada vez mais avançados com diferentes requisitos de qualidade, suporte a mobilidade, altas taxas de transmissão e capacidades elevadas de tráfego. Os diversos ambientes nos quais essas redes operam, os fenômenos associados produzem diversos efeitos no comportamento do sinal recebido e, consequentemente, uma variação no desempenho do enlace de comunicação entre os pontos de acesso, a rede e os usuários. Por conseguinte, esses efeitos devem ser avaliados corretamente, de tal forma que o dimensionamento da rede atenda aos requisitos de qualidade regulamentados. O presente trabalho objetiva estabelecer uma metodologia para o planejamento de redes de comunicação sem fio para ambientes indoor, considerando os parâmetros de qualidade de serviços e os efeitos da polarização das antenas. Foi proposto um modelo empírico para determinar a área de cobertura desse ambiente a partir de uma abordagem baseada em medições. Como resultado de campanhas de medições, foram identificados os principais parâmetros que interferem nas perdas no enlace de propagação, destacando-se os materiais envolvidos no ambiente bem como os efeitos da polarização das antenas transmissora, entre outros. Tais efeitos, avaliados corretamente, permitirão ao projetista da rede, de uma forma crítica e com base em dados obtidos em campo, definir a melhor configuração de parâmetros e critérios de projeto para a implantação de uma rede móvel de acesso sem fio. As medições para determinação dos parâmetros de cobertura e de qualidade de serviços foram realizadas no prédio do Laboratório de Engenharia Elétrica e de Computação e no prédio de aulas do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará. Nas campanhas de medição foram utilizadas algumas frequências, escolhidas devido à importância dos serviços disponibilizados: 2,4 GHz - redes locais sem fio (WLAN’s); 3,5 GHz - Wimax licenciado; 5,85 GHz - Wimax livre e 10 GHz (a faixa de 9,8 a 10 GHz não está ainda regulamentada, de 10 - 10,15 GHz-radioamador (Resolução Anatel, Nº 452/2006 - D.O.U. de 20.12.2006) ou serviços de comunicações multimídias (SCM) para sistemas em banda larga). Os principais resultados obtidos com o modelo proposto foram avaliados e comparados com os principais modelos da literatura e mostraram que a metodologia adotada para o planejamento de redes de comunicação sem fio em ambientes indoor teve um bom desempenho.

Predição de qualidade de experiência em redes wimax em aplicações de video baseada em aspectos de qualidade de serviço

A crescente utilização dos serviços de telecomunicações principalmente sem fio tem exigido a adoção de novos padrões de redes que ofereçam altas taxas de transmissão e que alcance um número maior de usuários. Neste sentido o padrão IEEE 802.16, no qual é baseado o WiMAX, surge como uma tecnologia em potencial para o fornecimento de banda larga na próxima geração de redes sem fio, principalmente porque oferece Qualidade de Serviço (QoS) nativamente para fluxos de voz, dados e vídeo. A respeito das aplicações baseadas vídeo, tem ocorrido um grande crescimento nos últimos anos. Em 2011 a previsão é que esse tipo de conteúdo ultrapasse 50% de todo tráfego proveniente de dispositivos móveis. Aplicações do tipo vídeo têm um forte apelo ao usuário final que é quem de fato deve ser o avaliador do nível de qualidade recebida. Diante disso, são necessárias novas formas de avaliação de desempenho que levem em consideração a percepção do usuário, complementando assim as técnicas tradicionais que se baseiam apenas em aspectos de rede (QoS). Nesse sentido, surgiu a avaliação de desempenho baseada Qualidade de Experiência (QoE) onde a avaliação do usuário final em detrimento a aplicação é o principal parâmetro mensurado. Os resultados das investigações em QoE podem ser usados como uma extensão em detrimento aos tradicionais métodos de QoS, e ao mesmo tempo fornecer informações a respeito da entrega de serviços multimídias do ponto de vista do usuário. Exemplos de mecanismos de controle que poderão ser incluídos em redes com suporte a QoE são novas abordagens de roteamento, processo de seleção de estação base e tráfego condicionado. Ambas as metodologias de avaliação são complementares, e se usadas de forma combinada podem gerar uma avaliação mais robusta. Porém, a grande quantidade de informações dificulta essa combinação. Nesse contexto, esta dissertação tem como objetivo principal criar uma metodologia de predição de qualidade de vídeo em redes WiMAX com uso combinado de simulações e técnicas de Inteligência Computacional (IC). A partir de parâmetros de QoS e QoE obtidos através das simulações será realizado a predição do comportamento futuro do vídeo com uso de Redes Neurais Artificiais (RNA). Se por um lado o uso de simulações permite uma gama de opções como extrapolação de cenários de modo a imitar as mesmas situações do mundo real, as técnicas de IC permitem agilizar a análise dos resultados de modo que sejam feitos previsões de um comportamento futuro, correlações e outros. No caso deste trabalho, optou-se pelo uso de RNAs uma vez que é a técnica mais utilizada para previsão do comportamento, como está sendo proposto nesta dissertação.

Aspectos de avaliação de desempenho em redes ponto a ponto e ponto multiponto baseados em modelagem Markoviana e medições

Esta tese apresenta uma metodologia para avaliação de desempenho de redes de acesso banda larga. A avaliação de desempenho de redes é uma forma de identificar e analisar como determinadas características tais como diferentes tipos de tráfego ou formas de utilização, por exemplo, podem influenciar no comportamento da rede em foco, podendo assim prever como tal rede se comportará frente a situações futuras. A metodologia apresentada é composta de duas abordagens: uma abordagem baseada em medições e outra baseada em modelagem via processos Markovianos. As redes analisadas englobam os dois tipos básicos de arquitetura de acesso: redes ADSL2+ (linha digital do assinante assimétrica 2+ – Asymmetric Digital Subscriber Line 2+), as quais são redes cabeadas que utilizam cabos metálicos de pares trançados; redes FBWN (rede sem fio banda larga fixa – Fixed Broadband Wireless Network), as quais são redes sem fio (wireless) baseadas no padrão IEEE 802.16. A abordagem de medições é focada na forma como a rede analisada se comporta frente a três situações: transmissão de um tráfego genérico; impacto de ruídos não-estacionários no sistema; e uso da rede como meio de transmissão de tráfego multimídia em tempo real. A abordagem de modelagem, por sua vez, ´e baseada em prever o comportamento das redes analisadas utilizando uma formulação matemática fundamentada em processos Markovianos. Os resultados apresentados indicam a viabilidade de aplicação desta metodologia como forma de avaliação de desempenho. Os resultados ainda tornam possível a extensão desta metodologia a outros tipos de redes de acesso banda larga, tais como: redes de fibras ópticas, redes de enlaces de microondas, redes VDSL/VDSL2 (linha digital do assinante de alta taxa de dados – Very-high-data-rate DSL), etc.

Predição de qualidade de experiência para internet do futuro em arquiteturas heterogêneas de redes sem fio móveis

As Redes da Próxima Geração consistem no desenvolvimento de arquiteturas que viabilizem a continuidade de serviços que proporcionem sempre a melhor conectividade (Always Best Connectivity - ABC) aos usuários móveis com suporte adequado à Qualidade de Experiência (QoE) para aplicações multimídia de alta definição, nesse novo contexto as arquiteturas têm perspectiva orientada a serviços e não a protocolos. Esta tese apresenta uma arquitetura para redes da próxima geração capaz de fornecer acesso heterogêneo sem fio e handover vertical transparente para as aplicações multimídia. A tese considera diferentes tecnologias sem fio e também adota o padrão IEEE 802.21 (Media Independent Handover – MIH) para auxiliar na integração e gerenciamento das redes heterogêneas sem fio. As tecnologias que a arquitetura possui são: IEEE 802.11 (popularmente denominada de WiFi), IEEE 802.16 (popularmente denominada de WiMAX) e LTE (popularmente denominada de redes 4G). O objetivo é que arquitetura tenha a capacidade de escolher entre as alternativas disponíveis a melhor conexão para o momento. A arquitetura proposta apresenta mecanismos de predição de Qualidade de Experiência (Quality of Experience - QoE) que será o parâmetro decisivo para a realização ou não do handover para uma nova rede. A predição para determinar se haverá ou não mudança de conectividade será feita com o uso da inteligência computacional de Redes Neurais Artificiais. Além disso a arquitetura também apresenta um mecanismo de descarte seletivo de pacotes especifico para aplicações multimídia. A proposta é avaliada via simulação utilizando-se o ns-2 (Network Simulator) e os resultados de desempenho são apresentados através das métricas de QoS, de QoE e também visualmente através da exibição de frames dos vídeos transmitidos na arquitetura.

Estratégia do planejamento e otimização de sistemas sem fio, considerando redes interferentes: abordagem baseada em cross-layer

Apesar do aumento significativo do uso de redes locais sem fio (WLAN) nos últimos anos, aspectos de projeto e planejamento de capacidade da rede são ainda sistematicamente negligenciados durante a implementação da rede. Tipicamente um projeto de rede local sem fio é feito e instalado por profissionais de rede. Esses profissionais são extremamente experientes com redes cabeadas, mas são ainda geralmente pouco experientes com redes sem fio. Deste modo, as instalações de redes locais sem fio são desvantajosas pela falta de um modelo de avaliação de desempenho e para determinar a localização do ponto de acesso (PA), além disso, fatores importantes do ambiente não são considerados no projeto. Esses fatores se tornam mais importante quando muitos pontos de acesso (PAs) são instalados para cobrir um único edifício, algumas vezes sem planejamento de freqüência. Falhas como essa podem causar interferência entre células geradas pelo mesmo PA. Por essa razão, a rede não obterá os padrões de qualidade de serviço (QoS) exigidos por cada serviço. O presente trabalho apresenta uma proposta para planejamento de redes sem fio levando em consideração a influência da interferência com o auxílio de inteligência computacional tais como a utilização de redes Bayesianas. Uma extensiva campanha de medição foi feita para avaliar o desempenho de dois pontos de acesso (PAs) sobre um cenário multiusuário, com e sem interferência. Os dados dessa campanha de medição foram usados como entrada das redes Bayesianas e confirmaram a influência da interferência nos parâmetros de QoS. Uma implementação de algoritmo genético foi utilizado permitindo uma abordagem híbrida para planejamento de redes sem fio. Como efeito de comparação para otimizar os parâmetros de QoS, de modo a encontrar a melhor distância do PA ao receptor garantindo as recomendações do International Telecomunication Union (ITU-T), a técnica de otimização por enxame de partículas foi aplicada.

Projeto de antenas multibandas integradas para terminais 4G

O presente trabalho apresenta um projeto e análise de uma antena monopolo planar multibanda operante nas frequências de 2000 MHz, 2500 MHz e 3500 MHz para aplicação em dispositivos móveis 3G e 4G. Dentre essas faixas estão contidos os espectros 3G (1895- 2165 MHz), 4G (2500-2690 MHz) e 4G (3400-3600 MHz) utilizadas pelo LTE e WIMAX 3,5. Para o desenvolvimento desse estudo foi tomado como referência uma antena dual-band de Hua- Ming Chen projetada para operar em sistemas ISM 1800 MHz, redes Wireless e Bluetooth 2400 MHz. O projeto proposto neste trabalho é uma modificação na estrutura da antena dual-band adaptada para tripla ressonância simultânea em frequências utilizadas em redes móveis 4G. Para alcançar o objetivo proposto utilizou-se para simulação o software CST® MICROWAVE STUDIO baseado no método Integração Finita no Domínio, as simulações foram feitas no domínio do tempo. Após obtenção satisfatória dos resultados simulados, um protótipo da antena foi confeccionado para medição e teste, os resultados apresentados são coerentes aos obtidos na simulação, o que valida o método proposto.

Cross-layer optimizations for multimedia distribution over Wireless Multimedia Sensor Networks and Flying Ad-Hoc Networks with quality of experience support

The proliferation of multimedia content and the demand for new audio or video services have fostered the development of a new era based on multimedia information, which allowed the evolution of Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) and also Flying Ad-Hoc Networks (FANETs). In this way, live multimedia services require realtime video transmissions with a low frame loss rate, tolerable end-to-end delay, and jitter to support video dissemination with Quality of Experience (QoE) support. Hence, a key principle in a QoE-aware approach is the transmission of high priority frames (protect them) with a minimum packet loss ratio, as well as network overhead. Moreover, multimedia content must be transmitted from a given source to the destination via intermediate nodes with high reliability in a large scale scenario. The routing service must cope with dynamic topologies caused by node failure or mobility, as well as wireless channel changes, in order to continue to operate despite dynamic topologies during multimedia transmission. Finally, understanding user satisfaction on watching a video sequence is becoming a key requirement for delivery of multimedia content with QoE support. With this goal in mind, solutions involving multimedia transmissions must take into account the video characteristics to improve video quality delivery. The main research contributions of this thesis are driven by the research question how to provide multimedia distribution with high energy-efficiency, reliability, robustness, scalability, and QoE support over wireless ad hoc networks. The thesis addresses several problem domains with contributions on different layers of the communication stack. At the application layer, we introduce a QoE-aware packet redundancy mechanism to reduce the impact of the unreliable and lossy nature of wireless environment to disseminate live multimedia content. At the network layer, we introduce two routing protocols, namely video-aware Multi-hop and multi-path hierarchical routing protocol for Efficient VIdeo transmission for static WMSN scenarios (MEVI), and cross-layer link quality and geographical-aware beaconless OR protocol for multimedia FANET scenarios (XLinGO). Both protocols enable multimedia dissemination with energy-efficiency, reliability and QoE support. This is achieved by combining multiple cross-layer metrics for routing decision in order to establish reliable routes.