Die Besonderheit der drahtlosen Kommunikation gegenüber den drahtgebundenen Netzwerken liegt im drahtlosen Übertragungsmedium. Aufgrund der Broadcast-Eigenschaft des Übertragungsmediums werden Nachrichten potentiell von allen Netzwerkstationen empfangen, welche sich in der Übertragungsreichweite des Senders aufhalten. Als Konsequenz können bei einem unsynchronisierten Medienzugriff mehrere Nachrichten beim Empfänger kollidieren und nicht korrekt empfangen werden. Dieses Phänomen wird auch als Interferenz bezeichnet. Um solche Interferenzen zu vermeiden, wurden spezielle Protokolle für den Medienzugriff in drahtlosen Netzen entwickelt. Ein solcher Ansatz für drahtlose Maschennetze ist die verteilte Kanalzuweisung. Bei der verteilten Kanalzuweisung werden sich nicht-überlappende Kanäle im verfügbaren Frequenzspektrum für Übertragungen verwendet, die auf dem gleichen Kanal Interferenzen erzeugen würden. Dieser Ansatz ist möglich, da die verwendeten Funktechnologien, wie zum Beispiel IEEE 802.11 (WLAN), mehrere nicht-überlappende Kanäle bereitstellen. Aufgrund der großen Verbreitung von IEEE 802.11, ist eine hohe Dichte von privaten wie kommerziellen Netzen im urbanen Raum die Norm. Diese räumlich überlappenden Netze konkurrieren um den Medienzugriff. Daher ist es für die Leistung von Kanalzuweisungsalgorithmen von großer Bedeutung, die Aktivität der externen Netze mit einzubeziehen. Die Leistung der vorgelegten Arbeit umfasst das Design, die Implementierung und Validierung von Modellen und Algorithmen zur Reduzierung von Interferenzen in drahtlosen Maschennetzen. Die Arbeit beinhaltet die Entwicklung eines Messungs-basierten Interferenzmodells, mit dem Interferenzabhängigkeiten der Maschenrouter untereinander effizient bestimmt werden können. Weiterhin wurde ein Algorithmus für die verteilte Kanalzuweisung entwickelt, der die Aktivität von externen Netzen berücksichtigt. Die Gesamtlösung wurde in einem großen drahtlosen Maschennetz experimentell validiert. / Due to the broadcast nature of the shared medium, wireless transmissions are potentially received by all network stations in the communication range of the sender. With an unsynchronized medium access, multiple transmissions may be active at the same time and thus interfere with each other. In consequence, multiple transmissions may collide at the receiver side and cannot be properly decoded. For this reason, protocols have been developed on the MAC layer to synchronize the medium access and thus reduce interference effects. One of these approaches in wireless mesh networks is channel assignment. The idea of channel assignment is to minimize the network-wide interference by utilizing non-overlapping channels for otherwise interfering wireless transmissions. This is feasible, since wireless mesh routers are usually equipped with multiple radios and commonly used wireless network technologies, such as IEEE 802.11, provide multiple non-overlapping channels. Since IEEE 802.11 operates in the unlicensed frequency spectrum, the dense distribution of private and commercial network deployments of WLANs in urban areas poses a new challenge. Co-located networks compete for the wireless medium, thus decreasing the achievable network performance in terms of throughput and latency. Therefore, an important issue for efficient channel assignment is to also address external interference The contributions of this dissertation comprise the design, implementation, and validation of models and algorithms to enable wireless multi-hop networks to become interference-aware. This includes a measurement-based interference model suitable for large-scale network deployments. A distributed channel assignment algorithm has been developed that considers external sources of interference. The overall solution has been experimentally validated in a large-scale wireless multi-hop multi-radio testbed and has significantly increased the network performance with regard to the network capacity.

Data originating from non-voice sources is expected to play an increasingly important role in the next generation mobile communication services. To plan these networks, a detailed understanding of their traffic load is essential. Recent experimental studies have shown that network traffic originating from data applications can be self-similar, leading to a different queueing behavior than predicted by conventional traffic models. Heavy tailed probability distributions are appropriate for capturing this property, but including those random processes in a performance analysis makes it difficult and often impossible to find numerical results. In this thesis three related topics are addressed: It is shown that Markovian models with a large state space can be used to describe traffic which is self-similar over a large time scale, a Maximum Likelihood approach to fit parallel Erlang-k distributions directly to time series is developed, and the performance of a channel assignment procedure in a wireless communication network is evaluated using the above mentioned techniques to set up a Markovian model. Outcomes of the performance analysis are blocking probabilities and latency due to restrictions of the channel assignment procedure as well as estimations of the overall bandwidth that the system is required to offer in order to support a given number of users.

Submitted by bruna ortiz (brunaortiz.f@gmail.com) on 2016-07-04T15:34:48Z No. of bitstreams: 1 Dissertação-Laura Michaella Batista Ribeiro.pdf: 5196443 bytes, checksum: 44f8d0ba69aa5d5fb4454331819feaa4 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-07-18T13:11:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação-Laura Michaella Batista Ribeiro.pdf: 5196443 bytes, checksum: 44f8d0ba69aa5d5fb4454331819feaa4 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-07-18T13:25:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação-Laura Michaella Batista Ribeiro.pdf: 5196443 bytes, checksum: 44f8d0ba69aa5d5fb4454331819feaa4 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-18T13:25:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação-Laura Michaella Batista Ribeiro.pdf: 5196443 bytes, checksum: 44f8d0ba69aa5d5fb4454331819feaa4 (MD5) Previous issue date: 2014-04-07 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / With the significant utilization of the Wi-Fi networks as one of the main mass media and transmission of data, some problems of traffic reliability have been related and increasing day by day. The unplanned use of Access’ Points – AP, chained to the interferences resulting from coexistence of other technologies occupying the same frequency spectrum 2.4GHz, has constantly affected the performance of these networks. In order to propose a solution to interference’s problem between networks 802.11, this work describe an approach of attribution of channels based in many aspects such as received signal strength indicator, signal-to-noise ratio, link quality and channels overlap factor. This approach, named MFDCA (Multi-Factor Dynamic Channel Assignment) is composed by detection interferences modules, as well as selection and attribution of channels. The approach attributes in a dynamic way operation of channels in the networks 802.11, considering the characteristics noted in the spectral environment where which AP is inserted. The MFDCA was developed so that to operate in low cost of access points, as long as they withstand an installation of a firmware based in Linux. The results of the tests accomplished in a pilot network show that a MFDCA is able to benefit the network as a whole, including non-administered networks, by increasing its throughput and decreasing the rate losses of packages. / Com a utilização significativa das redes Wi-Fi como um dos principais meios de comunicação e transmissão de dados, problemas relacionados à confiabilidade no tráfego dessas redes foram surgindo. O uso não planejado de pontos de acesso (do inglês, Access Point - AP), aliado com as interferências decorrentes da coexistência de outras tecnologias compartilhando o mesmo espectro de frequências 2,4GHz, tem constantemente afetado o desempenho das redes sem fio. Com o intuito de propor uma solução para o problema de interferência entre redes sem fio 802.11, este trabalho descreve uma abordagem para atribuição de canais baseada em múltiplos fatores como a indicação da intensidade do sinal recebido, a relação sinal-ruído, a qualidade de link e o fator de sobreposição de canais. Esta abordagem, denominada de MFDCA (Multi-Factor Dynamic Channel Assignment) é composta pelos módulos de detecção de interferências e de seleção e atribuição de canais. A abordagem atribui de forma dinâmica canais de operação nas redes 802.11, considerando as características presentes no ambiente espectral onde cada AP está inserido. AMFDCA foi projetada para operar em pontos de acesso de baixo custo, desde que suportem a instalação de um firmware baseado em Linux. Os resultados dos testes realizados em uma rede piloto mostram que a MFDCA é capaz de beneficiar as redes como um todo, incluindo redes não administradas, proporcionando um aumento na vazão de dados e a diminuição das taxas de perdas de pacotes.

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques. / In the last few years, Wireless Mesh Networks (WMNs) area brought a new field of advanced research among network specialized scientists. This is due to the many advantages which WMN technology offers, such as: easy and inexpensive installation, reliable connectivity and flexible interoperability with other existing networks (Wi-Fi, WiMax, Cellular, Sensors, WPAN networks, etc.). However, several problems still remain to be solved such as the scalability, the security, the quality of service (QoS), the resources management, etc. These problems persist for WMNs, therefore the researchers propose to improve the existing protocols or to conceive new protocols for WMNs. In order to solve some of the current limitations met in the wireless networks and to improve QoS of real time multimedia applications in such networks, our research will be divided primarily into three parts: traffic admission control, traffic differentiation and handoff-aware channel assignment schemes. In the first part, we propose a distributed admission control scheme for WMNs, namely, Routing on Cliques (a clique is defined as a subset of logical links that interfere with each other) Admission Control (RCAC). Particularly, we propose an analytical model to compute the appropriate acceptance ratio and guarantee that the packet loss probability in the network does not exceed a threshold value. The model also allows computing end-to-end delay to process flow requests with delay constraints. In the second part, we design an efficient scheduler for Mesh Deterministic Access (MDA) in IEEE 802.11s-based WMNs, called Enhanced Differentiated-MDA (ED-MDA) to support voice and video applications with strict requirements on delay and on blocking/dropping probability. ED-MDA together with Enhanced Admission Control, namely EAC, reserves the minimum amount of necessary resources while maintaining an acceptable handoff call dropping and high resource utilization. The final section addresses handoff-aware channel assignment (CA) problem in Multiple Radios WMNs (MR-WMNs). In this section, we first propose a multi-objective optimization model that, besides maximizing throughput, improves fairness and handoff experience of mesh clients. In this model, the Jain’s index is used to maximize users’ fairness and to allow same channel assignments to links involved in the same high handoff traffic, thus reducing handoff-triggered re-routing characterized by its high latency. Second, we solved this model to obtain exact solutions by the CPLEX software for a limited number of nodes. We therefore propose to use centralized heuristics/meta-heuristics algorithms as an offline CA process to obtain near-optimal solutions for larger instances (real size network). Moreover, in order to adapt to traffic dynamics caused especially by user handoffs, an online CA scheme is proposed that carefully re-assigns channels to interfaces with the purpose of continuously minimizing the re-routing overhead/latency during user handoffs. This online scheme is improved using load balancing.

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques. / In the last few years, Wireless Mesh Networks (WMNs) area brought a new field of advanced research among network specialized scientists. This is due to the many advantages which WMN technology offers, such as: easy and inexpensive installation, reliable connectivity and flexible interoperability with other existing networks (Wi-Fi, WiMax, Cellular, Sensors, WPAN networks, etc.). However, several problems still remain to be solved such as the scalability, the security, the quality of service (QoS), the resources management, etc. These problems persist for WMNs, therefore the researchers propose to improve the existing protocols or to conceive new protocols for WMNs. In order to solve some of the current limitations met in the wireless networks and to improve QoS of real time multimedia applications in such networks, our research will be divided primarily into three parts: traffic admission control, traffic differentiation and handoff-aware channel assignment schemes. In the first part, we propose a distributed admission control scheme for WMNs, namely, Routing on Cliques (a clique is defined as a subset of logical links that interfere with each other) Admission Control (RCAC). Particularly, we propose an analytical model to compute the appropriate acceptance ratio and guarantee that the packet loss probability in the network does not exceed a threshold value. The model also allows computing end-to-end delay to process flow requests with delay constraints. In the second part, we design an efficient scheduler for Mesh Deterministic Access (MDA) in IEEE 802.11s-based WMNs, called Enhanced Differentiated-MDA (ED-MDA) to support voice and video applications with strict requirements on delay and on blocking/dropping probability. ED-MDA together with Enhanced Admission Control, namely EAC, reserves the minimum amount of necessary resources while maintaining an acceptable handoff call dropping and high resource utilization. The final section addresses handoff-aware channel assignment (CA) problem in Multiple Radios WMNs (MR-WMNs). In this section, we first propose a multi-objective optimization model that, besides maximizing throughput, improves fairness and handoff experience of mesh clients. In this model, the Jain’s index is used to maximize users’ fairness and to allow same channel assignments to links involved in the same high handoff traffic, thus reducing handoff-triggered re-routing characterized by its high latency. Second, we solved this model to obtain exact solutions by the CPLEX software for a limited number of nodes. We therefore propose to use centralized heuristics/meta-heuristics algorithms as an offline CA process to obtain near-optimal solutions for larger instances (real size network). Moreover, in order to adapt to traffic dynamics caused especially by user handoffs, an online CA scheme is proposed that carefully re-assigns channels to interfaces with the purpose of continuously minimizing the re-routing overhead/latency during user handoffs. This online scheme is improved using load balancing.