Traditionally, the microprocessor design has focused on the computational aspects of the problem at hand. However, as the number of components on a single chip continues to increase, the design of communication architecture has become a crucial and dominating factor in defining performance models of the overall system. On-chip networks, also known as Networks-on-Chip (NoC), emerged recently as a promising architecture to coordinate chip-wide communication. Although there are numerous interconnection network studies in an inter-chip environment, an intra-chip network design poses a number of substantial challenges to this well-established interconnection network field. This research investigates designs and applications of on-chip interconnection network in next-generation microprocessors for optimizing performance, power consumption, and area cost. First, we present domain-specific NoC designs targeted to large-scale and wire-delay dominated L2 cache systems. The domain-specifically designed interconnect shows 38% performance improvement and uses only 12% of the mesh-based interconnect. Then, we present a methodology of communication characterization in parallel programs and application of characterization results to long-channel reconfiguration. Reconfigured long channels suited to communication patterns enhance the latency of the mesh network by 16% and 14% in 16-core and 64-core systems, respectively. Finally, we discuss an adaptive data compression technique that builds a network-wide frequent value pattern map and reduces the packet size. In two examined multi-core systems, cache traffic has 69% compressibility and shows high value sharing among flows. Compression-enabled NoC improves the latency by up to 63% and saves energy consumption by up to 12%.

Power quality has a great effect on the operation of system loads. To analyze its effects and the possible economic losses due to system disturbances, there is an immediate need of a power quality monitoring system. With an effective communication system, network disturbance data can be gathered and analyzed efficiently such that outage duration and its consequent losses can be reduced. This thesis presents communication network performance simulation results of different types of communication schemes used in a power quality monitoring system. Discrete event simulation method is used to study the end-to-end delay times of different communication architectures. Based on these simulation results, system designers can choose the best option to meet their data communication requirements in power quality monitoring.

An ad hoc network is a collection of wireless mobile nodes dynamically forming a temporary network without the use of any fixed network infrastructure or centralized administration. Due to the limitations in the wireless environment, it may be necessary for one mobile host to enlist the aid of other hosts in forwarding a packet to its destination. In order to enable communication within the network, a routing protocol is needed to discover routes between nodes. The primary goal of ad hoc network routing protocols is to establish routes between node pairs so that messages may be delivered reliably and in a timely manner. The basic access method in IEEE 802.11 ad hoc networks is the Distributed Coordination Function (DCF), which provides a fair medium access. Enhanced Distributed Coordination Function (EDCF) has been developed to provide service differentiation among different traffic flows. In this thesis, we investigate the performance of the EDCF with routing protocols / Direct Sequenced Distance Vector (DSDV) and Dynamic Source Routing (DSR) by simulations.

[EN] This thesis dissertation tackles the problem concerning provision of video streaming services over mobile wireless ad hoc networks. Such networks are characterized by their versatility and flexibility, features that make them particularly suited to be used in many scenarios. However, some limitations inherited of the wireless channel and the mobility of the nodes make difficult to guarantee certain degree of quality of service, which is a required condition to the multimedia applications. Furthermore, with the massive demand of video content, it has become very necessary for mobile ad hoc networks to have an efficient routing and quality of services mechanisms to support this traffic. This is because video streaming services require network to provide sufficient bandwidth and an upper bound in delay, jitter and loss rate. Consequently, traditional best-effort protocols are not adequate. The main contribution of this thesis is the development of a comprehensive routing protocol that has a feedback scheme in order to provide information to the application about the network conditions. This protocol has a cross-layer architecture and it incorporates three important enhancements. Firstly, a new route recovery strategy, which provides a mechanism to detect the link failures in a route and re-establish the connections taking into account the conditions of quality of service that have been established during the previous route discovery phase. Secondly, an algorithm for the estimation of the available bandwidth along the route, information that is sent to application layer in order to apply an adaptation procedure that adjusts the bit rate of the video source. This rate-adaptive strategy is performed exploiting the layered scheme of the scalable video coding. In particular, the adaptive method removes, from the scalable video stream, those layers that could not be efficiently supported by network since their bitrates exceed the available bandwidth. The third main feature of the proposed routing protocol is a gateway discovery algorithm to improve the interconnectivity between mobile ad hoc networks and infrastructure-based networks. This algorithm incorporates available bandwidth as a metric during the gateway selection and a dynamic adaptation of some operational parameters such as the size of the proactive area and the frequency of the advertisement messages. Additionally, in order to solve the lack of a software tool to simulate rate-adaptive transmission of scalable video, a new simulation framework had be implemented. This simulation tool is an open source software freely available and, thus, it represents other contribution of this thesis. The results reveal performance improvements in terms of packet delay, dropped packets and the number of link failures while a more efficient use of the available bandwidth is obtained. In terms of video transmission, the results prove that the combined use of the proposed protocol and the scalable video coding provides an efficient platform for supporting rate-adaptive video streaming over mobile ad hoc networks. / [ES] Esta tesis aborda los problemas relacionados con los servicios de video en modo streaming sobre las redes móviles ad hoc. Este tipo de redes se caracterizan por su versatilidad y flexibilidad, lo cual las hace especialmente adecuadas para ser utilizadas en diversos escenarios. Sin embargo, algunas limitaciones inherentes a los enlaces inalámbricos y a la movilidad de los nodos, hace difícil garantizar cierto nivel de calidad de servicio, lo cual es una condición necesaria para el transporte de flujos multimedia. Además, con la masiva demanda de videos desde los dispositivos móviles, hace aún más necesario asegurar un encaminamiento eficiente y un cierto nivel de calidad de servicio en las redes móviles ad hoc. Por lo tanto, los tradicionales protocolos que funcionan bajo el modelo del "mejor esfuerzo" no son adecuados. Esto se debe principalmente a que las aplicaciones multimedia necesitan que la red asegure suficiente ancho de banda y unos valores máximos de retardo, jitter, y tasa de pérdidas. La principal contribución de esta tesis es el desarrollo de un protocolo de encaminamiento que contiene un esquema de realimentación que le permite informar a la aplicación sobre las condiciones de la red. Este protocolo tiene una arquitectura cross-layer e incorpora tres importantes mejoras. Primero, una nueva estrategia de mantenimiento y recuperación de rutas que provee mecanismos para detectar los fallos de conectividad y el posterior re-establecimiento de las conexiones, teniendo en cuenta las condiciones de calidad de servicio que fueron establecidas durante la etapa inicial del descubrimiento de las rutas. Segundo, un algoritmo para la estimación del ancho de banda disponible a lo largo de la ruta, información que es enviada a la capa de aplicación para aplicar un proceso de adaptación que ajusta la tasa de envío de datos de la fuente. Esta estrategia adaptativa de la tasa aprovecha el esquema por capas de la codificación escalable de video. En particular, el método adaptativo elimina del flujo de video escalable, aquellas capas que no pueden ser transmitidas por la red ya que su tasa de bits supera el ancho de banda disponible. La tercera mejora incluida en el protocolo propuesto es un algoritmo de descubrimiento de gateways para mejorar la interconectividad entre las redes móviles ad hoc y las redes basadas en infraestructura. Dicho algoritmo utiliza el ancho de banda disponible para seleccionar el mejor gateway, así mismo, realiza una adaptación dinámica de algunos parámetros operacionales como el alcance y la frecuencia de los mensajes anuncio. Adicionalmente, ha sido desarrollada una herramienta software para simular la transmisión adaptativa de video escalable sobre redes móviles ad hoc. Esta herramienta de simulación es un software de código abierto y constituye otra contribución más de esta tesis. Los resultados muestran mejoras en el funcionamiento de las redes relacionadas con el retardo, la tasa de pérdidas de paquetes y el número de fallos en la conectividad. Simultáneamente, se obtiene un uso más eficiente del ancho de banda. En relación a la calidad del video transmitido, los resultados demuestran que la utilización del protocolo propuesto junto con la codificación de video escalable, provee un eficiente sistema para la transmisión adaptativa de video escalable sobre redes móviles ad hoc. / [CAT] Aquesta tesi aborda els problemes relacionats amb els serveis de vídeo en mode streaming sobre les xarxes mòbils ad hoc. Aquest tipus de xarxes es caracteritzen per la seva versatilitat i flexibilitat, la qual cosa les fa especialment adequades per a ser utilitzades en diversos escenaris. No obstant això, algunes limitacions inherents als enllaços sense fils i a la mobilitat dels nodes, fa difícil garantir cert nivell de qualitat de servei, cosa que és una condició necessària per al transport de fluxos multimèdia. A més, amb la massiva demanda de vídeos des dels dispositius mòbils, fa encara més necessari assegurar un encaminament eficient i un cert nivell de qualitat de servei en les xarxes mòbils ad hoc. Per tant, els tradicionals protocols que funcionen sota el model del "millor esforç" no són adequats. Això es deu principalment al fet que les aplicacions multimèdia necessiten que la xarxa asseguri suficient ample de banda i uns valors màxims de retard, jitter, i taxa de pèrdues. La principal contribució d'aquesta tesi és el desenvolupament d'un protocol d'encaminament que conté un esquema de realimentació que li permet informar l'aplicació sobre les condicions de la xarxa. Aquest protocol té una arquitectura cross-layer i incorpora tres importants millores. Primer, una nova estratègia de manteniment i recuperació de rutes que proveeix mecanismes per detectar les fallades de connectivitat i el posterior re-establiment de les connexions, tenint en compte les condicions de qualitat de servei que van ser establertes durant l'etapa inicial del descobriment de les rutes. Segon, un algoritme per a l'estimació de l'ample de banda disponible al llarg de la ruta, informació que és enviada a la capa d'aplicació per aplicar un procés d'adaptació que ajusta la taxa d'enviament de dades de la font. Aquesta estratègia adaptativa de la taxa aprofita l'esquema per capes de la codificació escalable de vídeo. En particular, el mètode adaptatiu elimina del flux de vídeo escalable aquelles capes que no poden ser transmeses per la xarxa ja que la seva taxa de bits supera l'ample de banda disponible. La tercera millora inclosa en el protocol proposat és un algoritme de descobriment de gateways per millorar la interconnectivitat entre les xarxes mòbils ad hoc i les xarxes basades en infraestructura. Aquest algoritme utilitza l'ample de banda disponible per seleccionar el millor gateway, així mateix, realitza una adaptació dinàmica d'alguns paràmetres operacionals com l'abast i la freqüència dels missatges anunci. Addicionalment, ha estat desenvolupada una eina programari per a simular la transmissió adaptativa de vídeo escalable sobre xarxes mòbils ad hoc. Aquesta eina de simulació és un programari de codi obert i constitueix una altra contribució més d'aquesta tesi. Els resultats mostren millores en el funcionament de les xarxes relacionades amb el retard, la taxa de pèrdues de paquets i el nombre de fallades en la connectivitat. Simultàniament, se n'obté un ús més eficient de l'ample de banda. En relació a la qualitat del vídeo transmès, els resultats demostren que la utilització del protocol proposat juntament amb la codificació de vídeo escalable, proveeix un eficient sistema per a la transmissió adaptativa de vídeo escalable sobre xarxes mòbils ad hoc. / Castellanos Hernández, WE. (2015). Quality of Service Routing and Mechanisms for Improving Video Streaming over Mobile Wireless Ad hoc Networks [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53238 / TESIS

The field buses, and particularly the ‘PROFIBUS’, are currently widely used in automation systems, with the intention to automate industrial applications. It is of the utmost importance that one should understand how these systems operate, because failure to understand may result in improper applications, which can ultimately lead to intense network problems and, consequently, lead to potential catastrophic failures in industrial equipment, as well as compromising the health and safety of the people. This research was the performance evaluation of SAMANCOR PROFIBUS network that controls the chrome manufacturing plant. The problem with the network was that it was failing intermittently. These network failures resulted in loss of production, loss of throughput, compromised quality, downtime due to reworks, high costs in energy used to rework, and equipment damage or failure. One of the OBJECTIVES of the research was to carry out a performance evaluation of the PROFIBUS network in terms of the possible electromagnetic interference (EMI) within the plant’s PLC network. This topic emanated from the network service providers that kept insisting that the network was unstable, due to possible electromagnetic interference caused by possible high voltage cables running next to the plant network cables. This assumption was without fact, and hence the research was conducted. The QUANTITATIVE research method was used to conduct the research, where simulation of the plant network, using external parameters, were used to carry out the research. Furthermore, experiments were conducted and the physical measurements were performed on the network, where parameters derived from these measurements were used to compare the two networks. In essence, the network was tested under known configurations. The manner in which the network was simulated was that of stepping up the electrical current from the external device, and recording the response of the network. A stand-alone network rig was built and used to carry out the tests, and the results were compared with those obtained from the plant network. / Electrical and Mining Engineering / M. Tech. (Electrical Engineering)

[ES] La disponibilidad y el rendimiento de las actuales tecnologías inalámbricas como WiFi o 4G, pueden tener serios problemas de congestión y propagación, especialmente en espacios muy concurridos, o bien ser inaccesibles en sitios remotos o con baja densidad de personas. La utilización de las Redes Oportunistas en este tipo de escenarios puede ser la solución a estos problemas. Estas redes se basan en la oportunidad de intercambiar mensajes utilizando algún tipo de tecnología de comunicación directa entre dispositivos móviles como son Bluetooth o WiFi. El rendimiento de las Redes Oportunistas depende principalmente de la movilidad de los nodos y los protocolos de enrutamiento utilizados, siendo estos últimos los encargados de decidir como son intercambiados los mensajes cuando un contacto ocurre, intentando encontrar la mejor ruta para que un mensaje alcance su destino. Por otra parte, la eficiencia de la difusión en estas redes está ligada especialmente a la movilidad de los usuarios y al comportamiento humano. Entonces, para el análisis y la evaluación del rendimiento de las Redes Oportunistas es necesario considerar tanto los aspectos técnicos relacionados con los protocolos de encaminamiento, como los aspectos de la movilidad humana. Esta tesis doctoral se centra principalmente en evaluar la diseminación de la información usando redes oportunistas en escenarios urbanos, en los que existen diferentes densidades y tasas de renovación de personas, es decir, con usuarios que puedan entrar y salir del escenario evaluado. Dado que la existencia de este tipo de trazas reales es muy limitada, en esta tesis se plantea la generación de este tipo de trazas de forma sintética. Para ello, mediante el uso de un simulador de movilidad peatonal, se han generado trazas realistas de movilidad con diferentes grados de densidad y tasas de renovación de usuarios con el objeto de evaluar diferentes aspectos de la difusión de mensajes en las Redes Oportunistas. El análisis de las características temporales y espaciales de estas trazas generadas refleja el realismo de los escenarios que se han considerado. Además, los experimentos relativos a la difusión de mensajes realizados con estas trazas, confirman que la tasa de renovación tiene un gran impacto en el rendimiento de los protocolos, lo que es particularmente evidente cuando el tamaño de los mensajes es mayor. Por otra parte, también se ha realizado el estudio, utilizando en este caso trazas reales, de la difusión de información a través de las Redes Oportunistas Vehiculares. Ya que de la misma manera la movilidad de estos vehículos está ligada al comportamiento humano, nos hemos centrado en la diseminación de la información en determinadas horas del día dependiendo del número de vehículos en circulación, debido a que este aspecto tiene un gran impacto en el reenvío de datos. Los resultados de estos experimentos confirman que los dos principales factores que afectan a la difusión de información son el grado de movilidad y el tamaño de mensaje. Aunque es bien sabido que al aumentar la densidad de nodos aumenta la velocidad de difusión, mostramos que, al mantener la densidad de nodos fija, las tasas de renovación más altas hacen que la relación de entrega disminuya. Además, descubrimos que la relación entre el tamaño del mensaje y la duración del contacto también es un factor clave, lo que demuestra que la transmisión de los mensajes grandes puede llevar a un rendimiento general muy bajo. Basándonos en todo lo expuesto anteriormente, se ha propuesto una mejora al protocolo Epidemic, a la que hemos denominado EpidemicX2, que se basa en la fragmentación de los datos a ser enviados con el fin de aprovechar la corta duración de los contactos para aumentar así la posibilidad de su entrega. Este protocolo es particularmente efectivo para la difusión de los mensajes grandes. Los resultados muestran que la tasa de entrega se increment / [CA] La disponibilitat i el rendiment de les actuals tecnologies sense fil com WiFi o 4G, poden tindre seriosos problemes de congestió i propagació, especialment en espais molt concorreguts, o bé ser inaccessibles en llocs remots o amb baixa densitat de persones. La utilització de les Xarxes Oportunistes en este tipus d'escenaris pot ser la solució a estos problemes. Estes xarxes es basen en l'oportunitat d'intercanviar missatges utilitzant algun tipus de tecnologia de comunicació directa entre dispositius mòbils com són Bluetooth o WiFi. El rendiment de les Xarxes Oportunistes depén principalment de la mobilitat dels nodes i els protocols d'enrutamiento utilitzats, sent estos últims els encarregats de decidir com són intercanviats els missatges quan un contacte ocorre, intentant trobar la millor ruta perquè un missatge abast el seu destí. D'altra banda, l'eficiència de la difusió en estes xarxes està lligada especialment a la mobilitat dels usuaris i al comportament humà. Llavors, per a l'anàlisi i l'avaluació del rendiment de les Xarxes Oportunistes és necessari considerar tant els aspectes tècnics relacionats amb els protocols d'acarrerament, com els aspectes de la mobilitat humana. Esta tesi doctoral se centra principalment a avaluar la disseminació de la informació usant xarxes oportunistes en escenaris urbans, en els que hi ha diferents densitats i taxes de renovació de persones, és a dir, amb usuaris que puguen entrar i eixir de l'escenari avaluat. Atés que l'existència d'este tipus de traces reals és molt limitada, en esta tesi es planteja la generació d'este tipus de traces de forma sintètica. Per a això, per mitjà de l'ús d'un simulador de mobilitat de vianants, s'han generat traces realistes de mobilitat amb diferents graus de densitat i taxes de renovació d'usuaris amb l'objecte d'avaluar diferents aspectes de la difusió de missatges en les Xarxes Oportunistes. L'anàlisi de les característiques temporals i espacials d'estes traces generades reflectix el realisme dels escenaris que s'han considerat. A més, els experiments relatius a la difusió de missatges realitzats amb estes traces, confirmen que la taxa de renovació té un gran impacte en el rendiment dels protocols, la qual cosa és particularment evident quan la grandària dels missatges és major. D'altra banda, també s'ha realitzat l'estudi, utilitzant en este cas traces reals, de la difusió d'informació a través de les Xarxes Oportunistes Vehiculares. Ja que de la mateixa manera la mobilitat d'estos vehicles està lligada al comportament humà, ens hem centrat en la disseminació de la informació en determinades hores del dia depenent del nombre de vehicles en circulació, pel fet que este aspecte té un gran impacte en el reexpedició de dades. Els resultats d'estos experiments confirmen que els dos principals factors que afecten la difusió d'informació són el grau de mobilitat i la grandària de missatge. Encara que és ben sabut que a l'augmentar la densitat de nodes augmenta la velocitat de difusió, mostrem que, al mantindre la densitat de nodes fixa, les taxes de renovació més altes fan que la relació d'entrega disminuïsca. A més, descobrim que la relació entre la grandària del missatge i la duració del contacte també és un factor clau, la qual cosa demostra que la transmissió dels missatges grans pot portar a un rendiment general molt davall. Basant-nos en tot el que exposa anteriorment, s'ha proposat una millora al protocol Epidemic, a la que hem denominat EpidemicX2, que es basa en la fragmentació de les dades a ser enviats a fi d'aprofitar la curta duració dels contactes per a augmentar així la possibilitat del seu entrega. Este protocol és particularment efectiu per a la difusió dels missatges grans. Els resultats mostren que la taxa d'entrega s'incrementa, el temps mitjana en l'entrega es reduïx, sense un substancial increment en termes de sobrecàrrega. / [EN] The availability and performance of current wireless technologies such as WiFi or 4G, can have severe problems of congestion and information diffusion, especially in crowded spaces, or, on the other side, be inaccessible in places with a low density of people. The use of Opportunistic Networks in these types of scenarios can be a solution to these problems. These networks are based on the opportunity to exchange messages using some type of direct communication technology between nearby mobile devices such as Bluetooth or WiFi. The performance of these networks depends mainly on the mobility of the nodes and the routing protocols used. The goal of these protocols is to decide how messages are exchanged when a pair of nodes are in contact, trying to find the best route for a message to reach its destination. The efficiency of the diffusion in these networks is related mainly to the mobility of users and human behaviour. Therefore, for the analysis and evaluation of the performance of the Opportunistic Networks, it is necessary to consider both the technical aspects related to the routing protocols, as well as the aspects of human mobility. This thesis mainly focuses on evaluating the dissemination of information using Opportunistic Networks in urban scenarios, in which there are different densities and renewal rates of people, that is, with users who can enter and leave the evaluated scenario. Given that the existence of this type of real traces is very limited, this thesis proposes the generation of realistic traces. For this, through the use of a pedestrian mobility simulator, realistic traces of mobility have been defined with different degrees of density and renewal rates of users to evaluate different aspects of the Opportunistic Network with this approach. The analysis of the temporal and spatial characteristics of these generated traces reflects the realism of the scenarios that have been considered. The experiments related to the diffusion of messages made with these traces, confirm that the renewal rate has a high impact on the performance of the protocols, which is particularly evident when the message size is longer. Furthermore, considering vehicular scenarios, a study has also been carried out using real traces, following the same methodology to evaluate the dissemination of information. Since in the same way the mobility of these vehicles is linked to human behaviour, we have focused on the dissemination of information at certain times of the day depending on the number of vehicles in circulation, since this aspect has a significant impact on data diffusion. The results of all these experiments show that the diffusion of contents is affected mainly by two factors: degree of mobility and message size. Although it is well known that increasing the density of nodes increases the speed of diffusion, we show that, by maintaining the density of fixed nodes, the higher renewal rates cause the delivery ratio to decrease. In addition, we discovered that the relationship between message size and contact duration is also a key factor, showing that large messages can lead to very reduced overall performance. Based on these results, an improvement to the Epidemic protocol has been proposed, called EpidemicX2, which is based on the fragmentation of the data to be sent in order to take advantage of the short duration of the contacts. This protocol is particularly effective for the dissemination of large messages. The results show that the delivery rate increases, the average time in the delivery is reduced, without a substantial increase in terms of overload. / Finalmente, quiero agradecer a la República del Ecuador junto con la “Secretaría de Educación Superior, Ciencia y Tecnología e Innovación” - SENESCYT, por su programa de apoyo y financiar mis estudios. / Chancay Garcia, LJ. (2019). Evaluación y Modelado de Redes Oportunistas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124339