Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第19128号 / 情博第574号 / 新制||情||101 / 32079 / 京都大学大学院情報学研究科通信情報システム専攻 / (主査)教授 守倉 正博, 教授 高橋 達郎, 教授 梅野 健 / 学位規則第4条第1項該当

M. Tech. Electrical Engineering. / Discusses the performance of CRs that can be hampered by the environment, modulation schemes and how they can be selected based on the current environment i.e link adaptation, bandwidth efficient schemes and those that are prone to noise, formulate a set of decisions and actions based on the knowledge about the current environment and its effects on propagation and how to use a game theoretic approach for fair use of the spectrum.

M. Tech. Electrical Engineering. / Discusses the transport of real time data in WMNs as a challenging problem. The main cause of this problem is transport layer protocols. These protocols have traditionally been used successfully for wired networks. However, their raw implementation in wireless networks has proven to be inefficient, since wireless channels are characterized by a higher Bit Error Rate (BER), Packet Loss Rate (PLR), interference, bandwidth limitations and mobility when compared to wired network channels. Thus, for the efficient transport of real time video in WMNs, transport protocols need to be adapted to be adapted to wireless networks since they were not originally developed for this application.

The wireless medium is lossy due to many reasons, such as signal attenuation, multi-path propagation, and collisions. Wireless losses degrade network throughput, reliability, and latency. The goal of this dissertation is to combat wireless losses by developing effective techniques and protocols across different network layers. First, a novel opportunistic routing protocol is developed to overcome wireless losses at the network layer. Opportunistic routing protocols exploit receiver diversity to route traffic in the face of loss. A distinctive feature of the protocol is the performance derived from its optimization can be achieved in real IEEE 802.11 networks. At its heart lies a simple yet realistic model of the network that captures wireless interference, losses, traffic, and MAC-induced dependencies. Then a model-driven optimization algorithm is designed to accurately optimize the end-to-end performance, and techniques are developed to map the resulting optimization solutions to practical routing configurations. Its effectiveness is demonstrated using simulation and testbed experiments. Second, an efficient retransmission scheme (ER) is developed at the link layer for wireless networks. Instead of retransmitting lost packets in their original forms, ER codes packets lost at different destinations and uses a single retransmission to potentially recover multiple packet losses. A simple and practical protocol is developed to realize the idea, and it is evaluated using simulation and testbed experiments to demonstrate its effectiveness. Third, detailed measurement traces are collected to understand wireless losses in dynamic and mobile environments. Existing wireless drivers are modified to enable the logging and analysis of network activity under varying end-host configurations. The results indicate that mobile clients can suffer from consecutive packet losses, or burst errors. The burst errors are then analyzed in more detail to gain further insights into the problem. With these insights, recommendations for future research directions to mitigate loss in mobile environments are presented. / text

Les réseaux sans fil sont en plein développement du fait de la flexibilité de leur interface, qui permet aux utilisateurs de se communiquer directement entre eux ou de se connecter facilement à Internet en onde radio sans mettre en place préalablement d'infrastructures lourdes, telles que des câbles filaires. Parmi les différentes technologies de réseaux sans fil, l'IEEE 802.11/Wi-Fi est devenu une technologie plus connue et plus utilisée pour construire des réseaux sans fil à haut débit dans une zone à forte concentration d'utilisateurs, telle que les aéroports, les campus ou les sites industriels. L'engouement pour les réseaux sans fil et notamment pour les réseaux Wi-Fi a fait émerger de nouvelles nécessités, tel que se déplace dans les réseaux sans fil tout en restant connecté à Internet. Dans les réseaux sans fil, le déplacement d'un utilisateur implique parfois un changement de Point d'accès (AP) au réseau. On désigne généralement ce fait un handover de niveau 2, du fait que le changement d'AP n'implique que les deux premières couches du modèle OSI. Si les deux APs se situent dans des réseaux différents, le changement d'AP implique aussi le changement de réseau pour cet utilisateur. On dénomme généralement cette situation un handover de niveau 3, par le fait que cet utilisateur devrait changer son réseau d'attachement et son adresse IP pour maintenir la connexion à Internet et que ce changement intervient sur la couche réseau du model OSI. La procédure du handover de niveau 2 dans les réseaux Wi-Fi est gérée par la norme IEEE 802.11 et celle de niveau 3 est gérée par le protocole IP Mobile. Le protocole IP Mobile est un protocole standardisé par l'IETF qui permet à l'utilisateur de maintenir ses communications en cours et de rester connecté à Internet tout en masquant d'une manière transparente le changement de réseau. Ainsi, l'utilisateur peut se déplace dans les réseaux Wi-Fi tout en maintenant les communications en cours et restant connecté à Internet grâce à la norme IEEE 802.11 et au protocole IP Mobile. Cependant, le délai introduit par ces deux procédures du handover est trop long, les communications en cours sont interrompus pendant ces procédures, naturellement, cela ne peut pas répondre aux exigences qualitatives des applications temps réel comme la vidéo conférence ou la voix sur IP. Diverses propositions qui ont été faites pour réduire le délai de ces procédures du handover et améliorer leur performance. Cependant, ces propositions sont soit imparfaites, soit non-implémentables à cause de leur complexité. En partant du principe que les réseaux Wi-Fi et les routeurs d'accès sont déjà massivement implantés dans le monde universitaire et dans les entreprises, nous proposons d'ajouter une nouvelle fonctionnalité, appelé E-HCF (Extended Handover Control Function) dans un routeur sans modifier les autres équipements du réseau. Le routeur pourvu de cette fonctionnalité est dénommé le routeur E-HCF. Pour réduire le délai des procédures du handover, la fonctionnalité E-HCF permet au routeur de générer une topologie des APs en utilisant la théorie des graphes de voisinage et de maintenir un pool d'adresses IP disponibles dans sa base de données. Quand le Nœud mobile (MN) a besoin de changer son AP, le routeur E-HCF peut proposer au MN une liste des APs potentiellement utilisables qui sont choisis et classés par un algorithme de sélection et de classement que nous avons élaboré dans la thèse. Si le changement d'AP implique un changement de réseau, le MN doit changer d'adresse IP. Dans ce cas, le routeur E-HCF peut attribuer une adresse IP unique à ce MN. Le MN peut donc utiliser cette adresse sans exécuter la phase d'Auto-configuration d'adresses ni exécuter la procédure de Détection d'adresse dupliquée. Avec cette nouvelle fonctionnalité E-HCF, nous pouvons réduire le délai des procédures du handover de quelques secondes à une centaine de millisecondes. Pour réduire la perte de paquets due aux procédures du handover, nous proposons de modifier le protocole IPv6 Mobile. Le MN met fin à l'association entre son adresse mère et son adresse temporaire avec l'Agent mère (HA) et le Nœud correspondant (CN) avant de procéder la procédure du handover. Par ce moyen, le HA peut intercepter les paquets destinés à l'adresse mère du MN et les garder dans son mémoire tampon. Une fois le MN met à jour l'association entre son adresse mère et sa nouvelle adresse temporaire avec le HA, le HA peut envoyer les paquets stockés dans son mémoire de tampon au MN. Il intercepte et redirige également les paquets du CN ou du MN vers la nouvelle adresse temporaire du MN ou vers les adresses du CN respectivement pendant la phase de mise à jour d'association. Avec cette méthode, nous pouvons limiter la perte de paquets et garantir un délai acceptable. Pour étayer notre proposition, nous avons utilisé le simulateur OPNET pour simuler le déroulement des procédures du handover dans les réseaux Wi-Fi géré par la méthode E-HCF et celui géré par le protocole IPv6 Mobile. Les résultats obtenus montrent qu'avec notre méthode E-HCF, nous pouvons garantir un délai acceptable et limiter la perte des paquets. Ensuite, nous avons également validé notre méthode E-HCF avec la norme IEEE 802.11e qui supporte la Qualité de Service (QoS). Avec le support de QoS, les résultats obtenus par simulation illustrent les améliorations des performances significatives pour les communications de bout en bout dans les réseaux chargés. Nos travaux de recherche ont donné lieu à trois publications dans les conférences internationales et un article dans la revue internationale (Voir Index)

IEEE 802.11 PHY supports multiple transmission rates according to multiple different modulations and coding schemes. Each WiFi station selects its own transmission rate according to its own algorithm; in particular, the IEEE 802.11 standards do not specify the bit-rate selection method. Although many adaptive bit-rate selection algorithms have been proposed, there is limited research and evaluation on the performance of such algorithms for roadside networks, especially in cases with multi-vehicle roadside multi-vehicular WiFi networks. In this thesis we propose an opportunistic highest bit-rate algorithm, Opportunistic Highest Bit-Rate Multi-Vehicular WiFi Networks (OHBR-MVN), specifically for roadside multi-vehicular WiFi networks. Our proposal is based on three key characteristics of such networks: (1) vehicles will drive closer to, and eventually pass, the roadside WiFi station, experiencing a progressively better transmission environment; (2) the vast majority of data transmitted in single-vehicle drive-by downloading scenarios occurs at the maximum transmission rate; (3) vehicles that transmit at less than the maximum rate do so at the expense of those that could send more data at a higher transmission rate. We therefore believe that transmitting only at the highest possible bit-rate is the preferred algorithm for such networks. Further, this approach keeps the bit-rate selection extremely simple, avoiding the complexity and resulting problems of adaptive approaches. Through a series of experiments that compare the throughput of both fixed and adaptive bit-rate selection algorithms we show that our approach yields both higher throughput and better fairness characteristics, while being significantly simple, and thus more robust.

Almost all commercially available wireless access devices are special embedded systems with proprietary software that do not allow any modifications. Modifications to these systems are only possible by firmware upgrades released by manufacturers. However, release times of these firmware upgrades are unpredictable, and they are usually for bug-fix purposes rather than being feature and capability improvements. Thus, these devices fail to provide the needed flexibility. Ability to provide timely custom solution that is well integrated into existing network infrastructure is the key factor for a successful wireless access service implementation. In this thesis work, the open source software called AWLP is designed, coded, tested, and released to public as a viable alternative for creating custom wireless access device.

En esta tesis se tiene pensado explicar el diseño e implementación que se debería de llevar a cabo dentro de un escenario dado para la instalación de una red inalámbrica segura que contemple la administración de sus usuarios por medio de una plataforma de gestión Web basada en PHP, integrada a un servidor de directorios LDAP con compatibilidad hacia implementaciones libres y cerradas de dicho protocolo, un servidor de autenticación RADIUS y un servidor de base de datos MySQL. Se estudiarán los principales aspectos aplicados en redes inalámbricas WiFi, poniendo especial énfasis en la seguridad de la red y de sus usuarios con mecanismos tales como: WPA2 (IEEE 802.11i), 802.1X, EAP, RADIUS, entre otros.

Conventional Wi-Fi location estimation techniques using radio fingerprinting typically require a lengthy initial site survey. It is suggested that the lengthy site survey is a barrier to adoption of the radio fingerprinting technique. This research investigated two methods for reducing or eliminating the site survey and instead build the radio map on-the-fly. The first approach utilized a deterministic algorithm to predict the user's location near each access point and subsequently construct a radio map of the entire area. This deterministic algorithm performed only fairly and only under limited conditions, rendering it unsuitable for most typical real-world deployments. Subsequently, a probabilistic algorithm was developed, derived from a robotic mapping technique called simultaneous localization and mapping. The standard robotic algorithm was augmented with a modified particle filter, modified motion and sensor models, and techniques for hardware-agnostic radio measurements (utilizing radio gradients and ranked radio maps). This algorithm performed favorably when compared to a standard implementation of the radio fingerprinting technique, but without needing an initial site survey. The algorithm was also reasonably robust even when the number of available access points were decreased.

Doctor of Philosopy (PhD) / Wireless communication always attracts extensive research interest, as it is a core part of modern communication technology. During my PhD study, I have focused on two research areas of wireless communication: IEEE 802.11 network performance analysis, and wireless cooperative retransmission. The first part of this thesis focuses on IEEE 802.11 network performance analysis. Since IEEE 802.11 technology is the most popular wireless access technology, IEEE 802.11 network performance analysis is always an important research area. In this area, my work includes the development of three analytical models for various aspects of IEEE 802.11 network performance analysis. First, a two-dimensional Markov chain model is proposed for analysing the performance of IEEE 802.11e EDCA (Enhanced Distributed Channel Access). With this analytical model, the saturated throughput is obtained. Compared with the existing analytical models of EDCA, the proposed model includes more correct details of EDCA, and accordingly its results are more accurate. This better accuracy is also proved by the simulation study. Second, another two-dimensional Markov chain model is proposed for analysing the coexistence performance of IEEE 802.11 DCF (Distributed Coordination Function) and IEEE 802.11e EDCA wireless devices. The saturated throughput is obtained with the proposed analytical model. The simulation study verifies the proposed analytical model, and it shows that the channel access priority of DCF is similar to that of the best effort access category in EDCA in the coexistence environment. The final work in this area is a hierarchical Markov chain model for investigating the impact of data-rate switching on the performance of IEEE 802.11 DCF. With this analytical model，the saturated throughput can be obtained. The simulation study verifies the accuracy of the model and shows the impact of the data-rate switching under different network conditions. A series of threshold values for the channel condition as well as the number of stations are obtained to decide whether the data-rate switching should be active or not. The second part of this thesis focuses on wireless cooperative retransmission. In this thesis, two uncoordinated distributed wireless cooperative retransmission strategies for single-hop connection are presented. In the proposed strategies, each uncoordinated cooperative neighbour randomly decide whether it should transmit to help the frame delivery depending on some pre-calculated optimal transmission probabilities. In Strategy 1, the source only transmits once in the first slot, and only the neighbours are involved in the retransmission attempts in the subsequent slots. In Strategy 2, both the source and the neighbours participate in the retransmission attempts. Both strategies are first analysed with a simple memoryless channel model, and the results show the superior performance of Strategy 2. With the elementary results for the memoryless channel model, a more realistic two-state Markov fading channel model is used to investigate the performance of Strategy 2. The simulation study verifies the accuracy of our analysis and indicates the superior performance of Strategy 2 compared with the simple retransmission strategy and the traditional two-hop strategy.