The emerging widespread use of real-time multimedia applications over wireless networks makes the support of Quality of Service (QoS) a key problem. In this paper, we focus on QoS support mechanisms for IEEE 802.11 Wireless ad-hoc networks. First, we review the IEEE 802.11 standard and other enhanced MAC schemes that have been proposed to support QoS for 802.11 ad hoc networks. Then we propose a new priority MAC scheme which uses the different initial contention window instead of CWmin in IEEE 802.11 MAC to reduce the collision rate, then reduces the average delay and increases the throughput.

abstract: Contention based IEEE 802.11MAC uses the binary exponential backoff algorithm (BEB) for the contention resolution. The protocol suffers poor performance in the heavily loaded networks and MANETs, high collision rate and packet drops, probabilistic delay guarantees, and unfairness. Many backoff strategies were proposed to improve the performance of IEEE 802.11 but all ignore the network topology and demand. Persistence is defined as the fraction of time a node is allowed to transmit, when this allowance should take into account topology and load, it is topology and load aware persistence (TLA). We develop a relation between contention window size and the TLA-persistence. We implement a new backoff strategy where the TLA-persistence is defined as the lexicographic max-min channel allocation. We use a centralized algorithm to calculate each node's TLApersistence and then convert it into a contention window size. The new backoff strategy is evaluated in simulation, comparing with that of the IEEE 802.11 using BEB. In most of the static scenarios like exposed terminal, flow in the middle, star topology, and heavy loaded multi-hop networks and in MANETs, through the simulation study, we show that the new backoff strategy achieves higher overall average throughput as compared to that of the IEEE 802.11 using BEB. / Dissertation/Thesis / M.S. Computer Science 2013

Mobile Ad Hoc Network (MANET) is a collection of communication devices or nodes that wish to communicate without any fixed infrastructure and pre-determined organization of available links. The nodes in MANET themselves are responsible for dynamically discovering other nodes to communicate. Although the ongoing trend is to adopt ad hoc networks for commercial uses due to their certain unique properties, the main challenge is the vulnerability to security attacks. A number of challenges like open peer-to-peer network architecture, stringent resource constraints, shared wireless medium, dynamic network topology etc. are posed in MANET. As MANET is quickly spreading for the property of its capability in forming temporary network without the aid of any established infrastructure or centralized administration, security challenges has become a primary concern to provide secure communication. In this thesis, we identify the existent security threats an ad hoc network faces, the security services required to be achieved and the countermeasures for attacks in each layer. To accomplish our goal, we have done literature survey in gathering information related to various types of attacks and solutions, as well as we have made comparative study to address the threats in different layers. Finally, we have identified the challenges and proposed solutions to overcome them. In our study, we have found that necessity of secure routing protocol is still a burning question. There is no general algorithm that suits well against the most commonly known attacks such as wormhole, rushing attack etc. In conclusion, we focus on the findings and future works which may be interesting for the researchers like robust key management, trust based systems, data security in different layer etc. However, in short, we can say that the complete security solution requires the prevention, detection and reaction mechanisms applied in MANET.

Multi-carrier systems based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) are efficient technologies for the implementation of broadband wireless communication systems. OFDM is widely used and has been adopted for current mobile broadband wireless communication systems such as IEEE 802.a/g wireless LANs, WiMAX, 3GPP LTE, and DVB-T/H digital video broadcasting systems. Despite their many advantages, however, OFDM-based systems suffer from potentially high peak-to-average power ratio (PAR). Since communication systems typically include nonlinear devices such as RF power amplifiers (PA) and digital-to-analog converters (DAC), high PAR results in increased symbol error rates and spectral radiation. To mitigate these nonlinear effects and to avoid nonlinear saturation effects of the PA, the operating point of a signal with high peak power must be backed off into the linear region of the PA. This so-called output backoff (OBO) results in a reduced power conversion efficiency which limits the battery life for mobile applications, reduces the coverage range, and increases both the cost of the PA and power consumption in the cellular base station. With the increasing demand for high energy efficiency, low power consumption, and greenhouse gas emission reduction, PAR reduction is a key technique in the design of practical OFDM systems. Motivated by the PAR reduction problem associated with multi-carrier systems, such as OFDM, this research explores the state of the art of PAR reduction techniques and develops new signal processing techniques that can achieve a minimum PAR for given system parameters and that are compatible with the appropriate standards. The following are the three principal contributions of this dissertation research. First, we present and derive the semi-analytical results for the output of asymptotic iterative clipping and filtering. This work provides expressions and analytical techniques for estimating the attenuation factor, error vector magnitude, and bit-error-rate (BER), using a noise enhancement factor that is obtained by simulation. With these semi-analytical results, we obtain a relationship between the BER and the target clipping level for asymptotic iterative clipping and filtering. These results serve as a performance benchmark for designing PAR reduction techniques using iterative clipping and filtering in OFDM systems. Second, we analyze the impact of the selected mapping (SLM) technique on BER performance of OFDM systems in an additive white Gaussian noise channel in the presence of nonlinearity. We first derive a closed-form expression for the envelope power distribution in an OFDM system with SLM. Then, using this derived envelope power distribution, we investigate the BER performance and the total degradation (TD) of OFDM systems with SLM under the existence of nonlinearity. As a result, we obtain the TD-minimizing peak backoff (PBO) and clipping ratio as functions of the number of candidate signals in SLM. Third, we propose an adaptive clipping control algorithm and pilotaided algorithm to address a fundamental issue associated with two lowcomplexity PAR reduction techniques, namely, tone reservation (TR) and active constellation extension (ACE). Specifically, we discovered that the existing low-complexity algorithms have a low clipping ratio problem in that they can not achieve the minimum PAR when the target clipping level is set below the initially unknown optimum value. Using our proposed algorithms, we overcome this problem and demonstrate that additional PAR reduction is obtained for any low value of the initial target clipping ratio. / text

Les réseaux véhiculaires font l’objet de recherches actives aussi bien dans le domaine des réseaux que dans celui des transports. Le potentiel des réseaux véhiculaires à fournir des services comme l’information sur le trafic en temps réel ou sur les accidents font de cette technologie un domaine de recherche très important. Ces réseaux peuvent comporter des communications véhicule-à-véhicule (V2V), véhicule-à-infrastructure (V2I), ou une combinaison des deux. La norme IEEE 1609.4 est la spécification multicanal pour l’IEEE802.11p/WAVE des réseaux véhiculaires (VANETs). Elle utilise sept canaux, l'un étant un canal de contrôle (CCH) qui est écouté par les équipements de façon périodique, et les six autres canaux sont utilisés comme canaux de service (SCH). Elle définit également une division du temps en alternance entre les intervalles CCH et les intervalles SCH. L’objet de cette thèse de doctorat est d’évaluer les performances des réseaux VANETs dans le cas des communications véhiculaires sans infrastructure, et au niveau des couches inférieures du standard 802.11p. Dans la première partie, nous proposons une approche MAC d’allocation multicanal opportuniste dans un contexte sans infrastructure. Cette approche est conforme à la norme IEEE1609.4 -2010 de l'architecture WAVE pour un fonctionnement multicanal, et elle est conçue pour des applications de services de données (non urgentes), tout en assurant la transmission des messages de sécurité routière et des paquets de contrôle. Pour maintenir la qualité de service des deux types de messages (urgents et non-urgents) en exploitant la capacité du canal, deux solutions sont proposées. Dans la deuxième partie, lorsque le véhicule sélectionne son canal et contrôle son alternance temporelle entre CCH et SCH, il commence à transmettre ses paquets, en particulier sur le canal CCH, lesquels ont une durée de péremption. Nous présentons une approche visant à minimiser les collisions des émetteurs tout en évitant la contention de début d’intervalle, en particulier dans un contexte de densité élevée de véhicules. Même si les mécanismes proposés ci-dessus diminuent le taux de collision, il n’est pas possible de les supprimer complètement. Dans la troisième partie, nous traitons le problème des collisions entre les paquets diffusés sur le CCH, en particulier quand la charge des messages transmis dépasse la capacité du canal. Pour cela, nous proposons un nouveau mécanisme de codage réseau analogique adapté à la modulation QPSK pour les messages diffusés sur le CCH. Dans cette approche des symboles connus sont envoyés avant d'envoyer les paquets pour estimer les paramètres du canal et une solution explicite est utilisée pour inverser le système de la superposition de deux paquets / Vehicular networks are the subject of active research in the field of networks as well as transport. The potential for vehicular networks to provide services such as traffic information in real time or accident makes this technology a very important research domain. These networks may support vehicle-to-vehicle communications (V2V), vehicle-to-infrastructure (V2I), or a combination of both. The IEEE 1609.4 is the specification of multichannel operations for IEEE802 .11p/WAVE vehicular networks (VANETs). It uses seven channels; one being a control channel (CCH) which is listened periodically by the vehicles and the other six channels are used as service channels (SCH). It also defines a time division between alternating CCH and SCH intervals. The purpose of this thesis is to evaluate the performance of VANETs in the case of vehicular communications without infrastructure, and at the lower layers of IEEE 802.11p standard. In the first part, we propose an opportunistic multichannel MAC allocation in an environment without infrastructure. This approach is consistent with the standard IEEE1609.4 -2010/WAVE for a multi-channel operation, and it is designed for data services applications (non-urgent), while ensuring the transmission of road safety messages and control packets. To maintain the quality of service of the two types of messages (urgent and non-urgent) by exploiting the channel capacity, two solutions are proposed. In the second part, when the vehicle selects its channel and controls its temporal alternation between CCH and SCH, it starts transmitting its packets, particularly on the CCH, which have an expiration time. We present an approach to minimize collisions between transmitters while avoiding contention at the beginning of CCH interval, especially in a context of high vehicular density. Although the mechanisms proposed above reduce the collision rate, it is not possible to completely remove these collisions. In the third part, we address the problem of collisions between broadcast packets on the CCH, especially when the load of transmitted messages exceeds the channel capacity. For this purpose, we propose a new analog network coding mechanism adapted to QPSK modulation for broadcast messages on the CCH. In this approach, known symbols are sent before sending the packets to estimate the channel parameters and an explicit solution is used to reverse the system of the superposition of two packets

yes / The only available solution in the IEEE 802.22 standard for avoiding collision amongst various contending customer premises equipment (CPEs) attempting to associate with a base station (BS) is binary exponential random backoff process in which the contending CPEs retransmit their association requests. The number of attempts the CPEs send their requests to the BS are fixed in an IEEE 802.22 network. This paper presents a mathematical framework that helps the BS in determining at which attempt the majority of the CPEs become part of the wireless regional area network from a particular number of contending CPEs. Based on a particular attempt, the ranging request collision probability for any number of contending CPEs with respect to contention window size is approximated. The numerical results validate the effectiveness of the approximation. Moreover, the average ranging success delay experienced by the majority of the CPEs is also determined. / The full text will be available at the end of the publisher's embargo: 7th Aug 2018

[EN] In recent years, advances in wireless technologies and improved sensing and computational capabilities have led to a gradual transition towards Intelligent Transportation Systems (ITS) and related applications. These applications aim at improving road safety, provide smart navigation, and eco-friendly driving. Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) provide a communication structure for ITS by equipping cars with advanced sensors and communication devices that enable a direct exchange of information between vehicles. Different types of ITS applications rely on two types of messages: periodic beacons and event-driven messages. Beacons include information such as geographical location, speed, and acceleration, and they are only disseminated to a close neighborhood. Differently from beacons, event-driven messages are only generated when a critical event of general interest occurs, and it is spread within a specific target area for the duration of the event. The reliability of information exchange is one of the main issues for vehicularcommunications since the safety of people on the road is directly related to the effectiveness of these transmissions. A Medium Access Control (MAC) protocol must guarantee reliable beacon broadcasting within deadline bounds to all vehicles in the neighbourhood, thereby providing them timely notifications about unsafe driving conditions or other hazardous events. Moreover, infotainment and comfort applications require reliable unicast transmissions that must be taken into account. However, high node mobility, highly dynamic topology, and lack of a central control unit, are issues that make the design of a reliable MAC protocol for vehicular environments a very difficult and challenging task, especially when efficient broadcasting strategies are required. The IEEE 802.11p MAC protocol, an approved amendment to the IEEE 802.11 standard, is a random access protocol that is unable to provide guaranteed delay bounds with sufficient reliability in vehicular scenarios, especially under high channel usage. This problem is particularly serious when implementing (semi-) automated driving applications such as platooning, where inter-vehicle spacing is drastically reduced, and the control loop that manages and maintains the platoon requires frequent, timely and reliable exchange of status information (beacons). In this thesis novel protocols compatible with the IEEE 802.11 and 802.11p standards are proposed in order to optimally adjust the contention window size for unicast applications in Mobile Ad hoc Networks (MANETs) and VANETs. Experimental tests comparing our proposals to existing solutions show that the former are able to improve the packet delivery ratio and the average end-to-end delay for unicast applications. Concerning efficient message diffusion (broadcast) in VANET environments, we proposed token-based MAC solutions to improve the performance achieved by existing 802.11p driving safety applications in different vehicular environments, including highway, urban, and platooning scenarios. Experimental results show that the proposed solutions clearly outperform 802.11p when delay-bounded beacons and event notifications must be delivered. / [ES] Recientemente, los avances en las tecnologías inalámbricas y las mejoras en términos de capacidades de sensorización y computación de los dispositivos electrónicos, han dado lugar a una transición gradual hacia servicios y aplicaciones de los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS). Estas aplicaciones tienen como objetivo mejorar la seguridad vial, proporcionar una navegación inteligente, y promover la conducción eco-eficiente. Las redes vehiculares ad hoc (VANETs) proporcionan una infraestructura de comunicaciones para ITS al equipar los coches con sensores avanzados y dispositivos de comunicación que permiten el intercambio directo de información entre vehículos. Los diferentes tipos de aplicaciones ITS se basan en dos tipos de mensajes: mensajes periódicos conocidos como beacons y mensajes asociados a eventos. Los mensajes periódicos incluyen información relativa a la ubicación geográfica, la velocidad y la aceleración, entre otros, y sólo son distribuidos entre los vehículos vecinos. A diferencia de estos beacons, los mensajes asociados a eventos sólo se generan cuando se produce un evento crítico de interés general, el cual se propaga dentro del área de interés de dicho evento y mientras éste siga activo. La fiabilidad del intercambio de información es uno de los principales problemas para las comunicaciones vehiculares, debido principalmente a que las aplicaciones de seguridad dependen directamente de la eficacia de estas transmisiones. Un protocolo de Control de Acceso al Medio (MAC) debe garantizar la difusión fiable de información a todos los vehículos vecinos dentro de unos límites máximos de retardo, proporcionándoles las notificaciones oportunas respecto a condiciones de conducción inseguras y otros eventos peligrosos. Por otra parte, las aplicaciones de información y entretenimiento, así como las aplicaciones orientadas al confort, también requieren transmisiones fiables extremoa-extremo. Sin embargo, la alta movilidad de los vehículos, la variabilidad de la topología, así como la falta de una unidad central de control, son factores que hacen que el diseño de un protocolo MAC fiable para entornos vehiculares sea una tarea especialmente compleja, especialmente cuando son necesarias estrategias de difusión eficientes. El protocolo MAC IEEE 802.11p, una modificación ya aprobada al estándar IEEE 802.11 original para entornos de comunicación vehiculares, es un protocolo de acceso que no es capaz de garantizar unos límites de retardo con la fiabilidad necesaria para estos entornos, especialmente en escenarios de alta utilización del canal inalámbrico. Este problema es particularmente importante a la hora de implementar aplicaciones de conducción (semi-)automática, como el caso de grupos de vehículos donde la separación entre vehículos se reduce drásticamente, y el sistema de control que gestiona y mantiene el grupo requiere de un intercambio frecuente de información fiable y acotado en retardo. En esta tesis se proponen nuevos protocolos MAC compatibles con los estándares IEEE 802.11 y 802.11p basados en el ajuste del tamaño de la ventana de contención para aplicaciones unicast en rede MANETs y VANETs. Los resultados experimentales obtenidos comparando nuestras propuestas con las soluciones existentes muestran que los protocolos propuestos son capaces de mejorar la tasa de entrega de paquetes y el retardo medio extremo-a-extremo para aplicaciones unicast. En lo que respecta a la difusión eficiente de mensajes broadcast en entornos VANET, se han propuesto soluciones MAC basadas en el uso de tokens que mejoran las prestaciones de aplicaciones de conducción segura basadas en el estándar 802.11p, tanto en autopistas, zonas urbanas, y escenarios con grupos de vehículos. Los resultados experimentales muestran que las soluciones propuestas superan claramente al protocolo 802.11p cuando es necesario entregar mensajes y notificaciones de eventos con restricc / [CAT] Recentment, els avan en les tecnologies sense fils i les millores en termes de capacitats de sensorització i computació dels dispositius electrònics, han donat lloc a una transició gradual cap a serveis i aplicacions dels sistemes intelligents de transport (ITS). Aquestes aplicacions tenen com a objectiu millorar la seguretat vial, proporcionar una navegació intelligent, i promoure la conducció ecoeficient. Les xarxes vehiculars ad hoc (VANET) proporcionen una infraestructura de comunicacions per a ITS, ja que equipen els cotxes amb sensors avançats i dispositius de comunicació que permeten l'intercanvi directe d'informació entre vehicles. Els diversos tipus d'aplicacions ITS es basen en dos classes de missatges: missatges periòdics coneguts com a beacons i missatges associats a esdeveniments. Els missatges periòdics inclouen informació relativa a la ubicació geogràfica, la velocitat i l'acceleració, entre uns altres, i només són distribuïts entre els vehicles veïns. A diferència d'aquests beacons, els missatges associats a esdeveniments només es generen quan es produeix un esdeveniment crític d'interès general, el qual es propaga dins de l àrea d'interès d'aquest esdeveniment i mentre aquest seguisca actiu. La fiabilitat de l'intercanvi d'informació és un dels principals problemes per a les comunicacions vehicular, principalment perquè les aplicacions de seguretat depenen directament de l'eficàcia d'aquestes transmissions. Un protocol de control d'accés al medi (MAC) ha de garantir la difusió fiable d'informació a tots els vehicles veïns dins d'uns límits màxims de retard, i proporcionar-los les notificacions oportunes respecte a condicions de conducció insegures i altres esdeveniments perillosos. D'altra banda, les aplicacions d'informació i entreteniment, com també les aplicacions orientades al confort, també requereixen transmissions fiables extrema-extrem. No obstant això, l'alta mobilitat dels vehicles, la variabilitat de la topologia, i la falta d'una unitat central de control, són factors que fan que el disseny d'un protocol MAC fiable per a entorns vehiculars siga una tasca especialment complexa, especialment quan són necessàries estratègies de difusió eficients. El protocol MAC IEEE 802.11p, una modificació ja aprovada a l'estàndard IEEE 802.11 original per a entorns de comunicació vehiculars, és un protocol d'accés que no és capa garantir uns límits de retard amb la fiabilitat necessària per a aquests entorns, especialment en escenaris d'alta utilització del canal sense fil. Aquest problema és particularment important a l'hora d'implementar aplicacions de conducció (semi)automàtica, com el cas de grups de vehicles en què la separació entre vehicles es redueix dràsticament, i el sistema de control que gestiona i manté el grup requereix un intercanvi freqüent d'informació fiable i delimitat en retard. En aquesta tesi es proposen nous protocols MAC compatibles amb els estàndards IEEE 802.11 i 802.11p basats en l'ajust de les dimensions de la finestra de contenció per a aplicacions unicast en xarxes MANET i VANET. Els resultats experimentals obtinguts comparant les nostres propostes amb les solucions existents mostren que els protocols proposats són capa de millorar la taxa de lliurament de paquets i el retard mitjà extrem-a-extrem per a aplicacions unicast. Pel que fa a la difusió eficient de missatges broadcast en entorns VANET, s'han proposat solucions MAC basades en l'ús de tokens que milloren les prestacions d'aplicacions de conducció segura basades en l'estàndard 802.11p, tant en autopistes, zones urbanes, i escenaris amb grups de vehicles. Els resultats experimentals mostren que les solucions proposades superen clarament el protocol 802.11p quan cal lliurar missatges i notificacions d'esdeveniments amb restriccions de latència. / Balador, A. (2016). Design and Evaluation of Efficient Medium Access Control Solutions for Vehicular Environments [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64073 / TESIS

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Les réseaux véhiculaires font l'objet de recherches actives aussi bien dans le domaine des réseaux que dans celui des transports. Le potentiel des réseaux véhiculaires à fournir des services comme l'information sur le trafic en temps réel ou sur les accidents font de cette technologie un domaine de recherche très important. Ces réseaux peuvent comporter des communications véhicule-à-véhicule (V2V), véhicule-à-infrastructure (V2I), ou une combinaison des deux. La norme IEEE 1609.4 est la spécification multicanal pour l'IEEE802.11p/WAVE des réseaux véhiculaires (VANETs). Elle utilise sept canaux, l'un étant un canal de contrôle (CCH) qui est écouté par les équipements de façon périodique, et les six autres canaux sont utilisés comme canaux de service (SCH). Elle définit également une division du temps en alternance entre les intervalles CCH et les intervalles SCH. L'objet de cette thèse de doctorat est d'évaluer les performances des réseaux VANETs dans le cas des communications véhiculaires sans infrastructure, et au niveau des couches inférieures du standard 802.11p. Dans la première partie, nous proposons une approche MAC d'allocation multicanal opportuniste dans un contexte sans infrastructure. Cette approche est conforme à la norme IEEE1609.4 -2010 de l'architecture WAVE pour un fonctionnement multicanal, et elle est conçue pour des applications de services de données (non urgentes), tout en assurant la transmission des messages de sécurité routière et des paquets de contrôle. Pour maintenir la qualité de service des deux types de messages (urgents et non-urgents) en exploitant la capacité du canal, deux solutions sont proposées. Dans la deuxième partie, lorsque le véhicule sélectionne son canal et contrôle son alternance temporelle entre CCH et SCH, il commence à transmettre ses paquets, en particulier sur le canal CCH, lesquels ont une durée de péremption. Nous présentons une approche visant à minimiser les collisions des émetteurs tout en évitant la contention de début d'intervalle, en particulier dans un contexte de densité élevée de véhicules. Même si les mécanismes proposés ci-dessus diminuent le taux de collision, il n'est pas possible de les supprimer complètement. Dans la troisième partie, nous traitons le problème des collisions entre les paquets diffusés sur le CCH, en particulier quand la charge des messages transmis dépasse la capacité du canal. Pour cela, nous proposons un nouveau mécanisme de codage réseau analogique adapté à la modulation QPSK pour les messages diffusés sur le CCH. Dans cette approche des symboles connus sont envoyés avant d'envoyer les paquets pour estimer les paramètres du canal et une solution explicite est utilisée pour inverser le système de la superposition de deux paquets