972 resultados para Cross-layer


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Next generation wireless systems employ Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) physical layer owing to the high data rate transmissions that are possible without increase in bandwidth. While TCP performance has been extensively studied for interaction with link layer ARQ, little attention has been given to the interaction of TCP with MAC layer. In this work, we explore cross-layer interactions in an OFDM based wireless system, specifically focusing on channel-aware resource allocation strategies at the MAC layer and its impact on TCP congestion control. Both efficiency and fairness oriented MAC resource allocation strategies were designed for evaluating the performance of TCP. The former schemes try to exploit the channel diversity to maximize the system throughput, while the latter schemes try to provide a fair resource allocation over sufficiently long time duration. From a TCP goodput standpoint, we show that the class of MAC algorithms that incorporate a fairness metric and consider the backlog outperform the channel diversity exploiting schemes.

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The lifetime calculation of large dense sensor networks with fixed energy resources and the remaining residual energy have shown that for a constant energy resource in a sensor network the fault rate at the cluster head is network size invariant when using the network layer with no MAC losses.Even after increasing the battery capacities in the nodes the total lifetime does not increase after a max limit of 8 times. As this is a serious limitation lots of research has been done at the MAC layer which allows to adapt to the specific connectivity, traffic and channel polling needs for sensor networks. There have been lots of MAC protocols which allow to control the channel polling of new radios which are available to sensor nodes to communicate. This further reduces the communication overhead by idling and sleep scheduling thus extending the lifetime of the monitoring application. We address the two issues which effects the distributed characteristics and performance of connected MAC nodes. (1) To determine the theoretical minimum rate based on joint coding for a correlated data source at the singlehop, (2a) to estimate cluster head errors using Bayesian rule for routing using persistence clustering when node densities are the same and stored using prior probability at the network layer, (2b) to estimate the upper bound of routing errors when using passive clustering were the node densities at the multi-hop MACS are unknown and not stored at the multi-hop nodes a priori. In this paper we evaluate many MAC based sensor network protocols and study the effects on sensor network lifetime. A renewable energy MAC routing protocol is designed when the probabilities of active nodes are not known a priori. From theoretical derivations we show that for a Bayesian rule with known class densities of omega1, omega2 with expected error P* is bounded by max error rate of P=2P* for single-hop. We study the effects of energy losses using cross-layer simulation of - large sensor network MACS setup, the error rate which effect finding sufficient node densities to have reliable multi-hop communications due to unknown node densities. The simulation results show that even though the lifetime is comparable the expected Bayesian posterior probability error bound is close or higher than Pges2P*.

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In recent years, there has been an upsurge of research interest in cooperative wireless communications in both academia and industry. This article presents a simple overview of the pivotal topics in both mobile station (MS)- and base station (BS)- assisted cooperation in the context of cellular radio systems. Owing to the ever-increasing amount of literature in this particular field, this article is by no means exhaustive, but is intended to serve as a roadmap by assembling a representative sample of recent results and to stimulate further research. The emphasis is initially on relay-base cooperation, relying on network coding, followed by the design of cross-layer cooperative protocols conceived for MS cooperation and the concept of coalition network element (CNE)-assisted BS cooperation. Then, a range of complexity and backhaul traffic reduction techniques that have been proposed for BS cooperation are reviewed. A more detailed discussion is provided in the context of MS cooperation concerning the pros and cons of dispensing with high-complexity, power-hungry channel estimation. Finally, generalized design guidelines, conceived for cooperative wireless communications, are presented.

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A link level reliable multicast requires a channel access protocol to resolve the collision of feedback messages sent by multicast data receivers. Several deterministic media access control protocols have been proposed to attain high reliability, but with large delay. Besides, there are also protocols which can only give probabilistic guarantee about reliability, but have the least delay. In this paper, we propose a virtual token-based channel access and feedback protocol (VTCAF) for link level reliable multicasting. The VTCAF protocol introduces a virtual (implicit) token passing mechanism based on carrier sensing to avoid the collision between feedback messages. The delay performance is improved in VTCAF protocol by reducing the number of feedback messages. Besides, the VTCAF protocol is parametric in nature and can easily trade off reliability with the delay as per the requirement of the underlying application. Such a cross layer design approach would be useful for a variety of multicast applications which require reliable communication with different levels of reliability and delay performance. We have analyzed our protocol to evaluate various performance parameters at different packet loss rate and compared its performance with those of others. Our protocol has also been simulated using Castalia network simulator to evaluate the same performance parameters. Simulation and analytical results together show that the VTCAF protocol is able to considerably reduce average access delay while ensuring very high reliability at the same time.

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卫星网络的固有特性如大时延、高误码、链路不对称和资源匮乏等特点, 使得TCP/IP协议无法为卫星网络提供令人满意的服务,因此设计适应卫星网络的特点新型网络协议以是一个值得深入研究的问题。采用跨层设计思想可以减少层次网络的冗余性,实时获取网络状态信息,通过调整数据传输方式,使得网络具有自适应性,并能显著提高卫星网络的性能。本文提出了基于跨层的卫星网络协议SaclTCP,它针对TCP协议的拥塞控制策略提出改进:在物理层将链路有效带宽信息反馈给传输层,使传输层了解物理链路容量的大小,准确的设定拥塞窗口门限阈值;在数据链路层将链路丢包事件通知给传输层,使传输层对丢包原因做出正确的判断;在网络层对路由器缓冲队列进行管理,一方面以一定的概率发送显示拥塞通知,另一方面计算网络拥塞状况,传输层利用这些信息动态调节拥塞窗口的大小。最后,在NS-2环境下对SaclTCP仿真,并与传统TCP协议进行比较。实验结果表明,SaclTCP协议在传输性能上有大幅度提高,更适合卫星网络环境,同时也证明了基于跨层的卫星网络协议设计的正确性和可行性。

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The GENESI project has the ambitious goal of bringing WSN technology to the level where it can provide the core of the next generation of systems for structural health monitoring that are long lasting, pervasive and totally distributed and autonomous. This goal requires embracing engineering and scientific challenges never successfully tackled before. Sensor nodes will be redesigned to overcome their current limitations, especially concerning energy storage and provisioning (we need devices with virtually infinite lifetime) and resilience to faults and interferences (for reliability and robustness). New software and protocols will be defined to fully take advantage of the new hardware, providing new paradigms for cross-layer interaction at all layers of the protocol stack and satisfying the requirements of a new concept of Quality of Service (QoS) that is application-driven, truly reflecting the end user perspective and expectations. The GENESI project will develop long lasting sensor nodes by combining cutting edge technologies for energy generation from the environment (energy harvesting) and green energy supply (small form factor fuel cells); GENESI will define models for energy harvesting, energy conservation in super-capacitors and supplemental energy availability through fuel cells, in addition to the design of new algorithms and protocols for dynamic allocation of sensing and communication tasks to the sensors. The project team will design communication protocols for large scale heterogeneous wireless sensor/actuator networks with energy-harvesting capabilities and define distributed mechanisms for context assessment and situation awareness. This paper presents an analysis of the GENESI system requirements in order to achieve the ambitious goals of the project. Extending from the requirements presented, the emergent system specification is discussed with respect to the selection and integration of relevant system components.The resulting integrated system will be evaluated and characterised to ensure that it is capable of satisfying the functional requirements of the project

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currently in press. This is the first published attempt to engineer QoS into a contention-based MAC layer protocol. The work was based on a cross-layer approach to providing programmability into wireless LANs. The work arose from an EPSRC grant in the "programmable networks" call, with Philips / STM research in Italy (Dr Melpignano). Subsequent follow-on includes the formation of a spin-out company (TOM) based on the idea.

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This paper presents a key generation system derived from the channel response of individual subcarrier in orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems. Practical aspects of the security were investigated by implementing our key generation scheme on a wireless open-access research platform (WARP), which enables us to obtain channel estimation of individual OFDM subcarriers, a feature not currently available in most commercial wireless interface cards. Channel response of individual OFDM subcarrier is usually a wide sense stationary random process, which allows us to find the optimal probing period and maximize the key generation rate. The implementation requires cross layer design as it involves interaction between physical and MAC layer. We have experimentally verified the feasibility and principles of key generation, and also evaluated the performance of our system in terms of randomness, key generation rate and key disagreement rate, which proves that OFDM subcarrier's channel responses are valid for key generation.

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Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

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Congestion control in wireless networks is an important and open issue. Previous research has proven the poor performance of the Transport Control Protocol (TCP) in such networks. The factors that contribute to the poor performance of TCP in wireless environments concern its unsuitability to identify/detect and react properly to network events, its TCP window based ow control algorithm that is not suitable for the wireless channel, and the congestion collapse due to mobility. New rate based mechanisms have been proposed to mitigate TCP performance in wired and wireless networks. However, these mechanisms also present poor performance, as they lack of suitable bandwidth estimation techniques for multi-hop wireless networks. It is thus important to improve congestion control performance in wireless networks, incorporating components that are suitable for wireless environments. A congestion control scheme which provides an e - cient and fair sharing of the underlying network capacity and available bandwidth among multiple competing applications is crucial to the definition of new e cient and fair congestion control schemes on wireless multi-hop networks. The Thesis is divided in three parts. First, we present a performance evaluation study of several congestion control protocols against TCP, in wireless mesh and ad-hoc networks. The obtained results show that rate based congestion control protocols need an eficient and accurate underlying available bandwidth estimation technique. The second part of the Thesis presents a new link capacity and available bandwidth estimation mechanism denoted as rt-Winf (real time wireless inference). The estimation is performed in real-time and without the need to intrusively inject packets in the network. Simulation results show that rt-Winf obtains the available bandwidth and capacity estimation with accuracy and without introducing overhead trafic in the network. The third part of the Thesis proposes the development of new congestion control mechanisms to address the congestion control problems of wireless networks. These congestion control mechanisms use cross layer information, obtained by rt-Winf, to accurately and eficiently estimate the available bandwidth and the path capacity over a wireless network path. Evaluation of these new proposed mechanisms, through ns-2 simulations, shows that the cooperation between rt-Winf and the congestion control algorithms is able to significantly increase congestion control eficiency and network performance.

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O acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.

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Esta tese apresenta um estudo sobre alguns dos protocolos de cooperação MAC para redes sem fios utilizando o sistema IEEE 802.11 multi-débito. É proposto um novo modelo de arquitetura para a categorização e análise da cooperação em redes sem fios, tendo este modelo sido aplicado a protocolos cooperativos existentes para camada MAC. É investigado como as características do meio físico, assim como os requisitos de níveis superiores podem ser aplicados ao processo de cooperação, com vista a melhorar as características de funcionamento da rede de comunicações. Para este propósito são exploradas as métricas mais relevantes para o processo de cooperação. São igualmente estudados os limites impostos pelos protocolos da camada MAC e as limitações práticas impostas por protocolos da família de normas que compõem o IEEE 802.11. Neste trabalho foi criada uma métrica multicamada, que permite considerar os requisitos aplicacionais de performance e o tipo de tráfego, assim como a mobilidade dos dispositivos, no funcionamento dos mecanismos de cooperação. Como forma de validação, e para corretamente avaliar o impacto da métrica, um novo protocolo de cooperação foi desenvolvido e implementado. O seu funcionamento é descrito de forma analítica assim como validado através de a um ambiente de simulação. Os resultados obtidos mostram que a utilização de uma métrica multicamada é uma técnica robusta, fornecendo melhorias consistentes no contexto de redes IEEE 802.11. São igualmente demonstradas várias outras características de funcionamento com impacto para as comunicações. Estes dados fornecem uma visão real e encorajadora para a realização de mais pesquisas para a melhoria da performance dos protocolos cooperativos, assim como a sua utilização num variado número de aplicações futuras. No final do documento são apresentados alguns desafios para a continuação da investigação deste tópico.

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This paper presents an adaptive frame length mechanism based on a cross-layer analysis of intrinsic relations between the MAC frame length, bit error rate (BER) of the wireless link and normalized goodput. The proposed mechanism selects the optimal frame length that keeps the service normalized goodput at required levels while satisfying the lowest requirement on the BER, thus increasing the transmission reliability. Numerical results are provided and show that an optimal frame length satisfying the lowest BER requirement does indeed exist. The performance of BER requirement as a function of the MAC frame length is evaluated and compared for transmission scenarios with and without automatic repeat request (ARQ). Furthermore, issues related to the MAC overhead length are also discussed to illuminate the functionality and performance of the proposed mechanism.

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Wireless video sensor networks have been a hot topic in recent years; the monitoring capability is the central feature of the services offered by a wireless video sensor network can be classified into three major categories: monitoring, alerting, and information on-demand. These features have been applied to a large number of applications related to the environment (agriculture, water, forest and fire detection), military, buildings, health (elderly people and home monitoring), disaster relief, area and industrial monitoring. Security applications oriented toward critical infrastructures and disaster relief are very important applications that many countries have identified as critical in the near future. This paper aims to design a cross layer based protocol to provide the required quality of services for security related applications using wireless video sensor networks. Energy saving, delay and reliability for the delivered data are crucial in the proposed application. Simulation results show that the proposed cross layer based protocol offers a good performance in term of providing the required quality of services for the proposed application.