Despite the growing number of mobile devices equipped with multiple networking interfaces, they are not using multiple available networks in parallel. The simple network selection techniques only allow for single network to be used at a time and switching between different networks interrupts all existing connections. This work presents system that improves network connectivity in presence of multiple network adapters, not only through better network handovers, smarter network selection and failure detection, but also through increased bandwidth offered to the device over aggregated channels. The biggest challenge such a system has to face is the heterogeneity of networks in mobile environment. Different wireless technologies, and even different networks of the same type offer inconsistent link parameters like available bandwidth, latency or packet loss. The wireless nature of these networks also means, that most of the parameters fluctuate in unpredictable way. Given the intended practicality of designed system, all that complexity has to be hidden from both client-side applications and from the remote servers. These factors combined make the task of designing and implementing an efficient solution difficult. The system incorporates client-side software, as well as network proxy that assists in splitting data traffic, tunnelling it over a number of available network interfaces, and reassembling it on the remote side. These operations are transparent to both applications running on the client, as well as any network servers those applications communicate with. This property allows the system to meet one of the most important requirements, which is the practicality of the solution, and being able to deploy it in real life scenarios, using network protocols available today and on existing devices. This work also studies the most critical cost associated with increased data processing and parallel interface usage - the increase in energy usage, which needs to remain within reasonable values for this kind of solution being usable on mobile devices with limited battery life. The properties of designed and deployed system are evaluated using multiple experiments in different scenarios. Collected results confirm that our approach can provide applications with increased bandwidth when multiple networks are available. We also discover that even though per-second energy usage increases when multiple interfaces are used in parallel, the use of multi-interface connectivity can actually reduce the total energy cost associated with performing specific tasks - effectively saving energy.

Despite the growing number of mobile devices equipped with multiple networking interfaces, they are not using multiple available networks in parallel. The simple network selection techniques only allow for single network to be used at a time and switching between different networks interrupts all existing connections. This work presents system that improves network connectivity in presence of multiple network adapters, not only through better network handovers, smarter network selection and failure detection, but also through increased bandwidth offered to the device over aggregated channels. The biggest challenge such a system has to face is the heterogeneity of networks in mobile environment. Different wireless technologies, and even different networks of the same type offer inconsistent link parameters like available bandwidth, latency or packet loss. The wireless nature of these networks also means, that most of the parameters fluctuate in unpredictable way. Given the intended practicality of designed system, all that complexity has to be hidden from both client-side applications and from the remote servers. These factors combined make the task of designing and implementing an efficient solution difficult. The system incorporates client-side software, as well as network proxy that assists in splitting data traffic, tunnelling it over a number of available network interfaces, and reassembling it on the remote side. These operations are transparent to both applications running on the client, as well as any network servers those applications communicate with. This property allows the system to meet one of the most important requirements, which is the practicality of the solution, and being able to deploy it in real life scenarios, using network protocols available today and on existing devices. This work also studies the most critical cost associated with increased data processing and parallel interface usage - the increase in energy usage, which needs to remain within reasonable values for this kind of solution being usable on mobile devices with limited battery life. The properties of designed and deployed system are evaluated using multiple experiments in different scenarios. Collected results confirm that our approach can provide applications with increased bandwidth when multiple networks are available. We also discover that even though per-second energy usage increases when multiple interfaces are used in parallel, the use of multi-interface connectivity can actually reduce the total energy cost associated with performing specific tasks - effectively saving energy.

BOMFIM, Michel Sales. Um Mecanismo de melhoria de handovers verticais utilizando endereçamento multicast e serviços do MIH 802.21. 2011. 103 f. Dissertação (Mestrado em ciência da computação)- Universidade Federal do Ceará, Fortaleza-CE, 2011. / Submitted by Elineudson Ribeiro (elineudsonr@gmail.com) on 2016-07-11T19:38:38Z No. of bitstreams: 1 2011_dis_msbonfim.pdf: 3117026 bytes, checksum: 19ea0e074c6fbc2bcfe5f4bf287e7889 (MD5) / Approved for entry into archive by Rocilda Sales (rocilda@ufc.br) on 2016-07-20T12:06:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2011_dis_msbonfim.pdf: 3117026 bytes, checksum: 19ea0e074c6fbc2bcfe5f4bf287e7889 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-20T12:06:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2011_dis_msbonfim.pdf: 3117026 bytes, checksum: 19ea0e074c6fbc2bcfe5f4bf287e7889 (MD5) Previous issue date: 2011 / The use of multi-interface devices such as smart phones has grown at the same time as the demands for efficient mobility services in heterogeneous networks. In this scenario, the idea of service continuity has become a crucial requirement. To achieve these demands, efficient handover schemes should be developed aiming to achieve Seamless Handover, which means the change of network domains in a transparent way and without services discontinuity to the end user. Currently, there are different schemes for handover and some of them may be used between different access technologies (Vertical Handover). However, the service time disruption is still a major problem to be solved. The main purpose of this study is to propose an improvement for Vertical Handovers using IP mobility, aiming at Seamless Handover. In this work, the framework provided by the MIH (Media Independent Handover) IEEE 802.21 is used to enable vertical handover in heterogeneous networks, and propose an extension of FMIPv6 (Fast Handovers for Mobile IPv6) called FaHMA (Fast Handovers using Multicast Addressing), using multicast in order to manage mobility in these types of networks. To make the performance analysis, we decided for simulations and we considerered metrics such as the handover delay and packet loss as the most important criteria for evaluating the effectiveness of our proposal. Simulation results have shown that FaHMA achieve better results than FMIPv6, including factors that determine the quality of operation in networked multimedia applications. / O uso de dispositivos multi-interface, tais como smart phones, tem crescido ao mesmo tempo que as demandas por melhores serviços de mobilidade em redes heterogêneas. Neste cenário, a ideia da continuidade de serviços tornou-se um requisito crucial. Para atender essas demandas, esquemas eficientes de handover devem ser desenvolvidos com o objetivo de alcançar o chamado Handover Transparente, que significa a mudança de domínios de rede de uma forma transparente e sem a descontinuidade dos serviços para o usuário final. Atualmente, existem diferentes esquemas de handover e alguns deles podem envolver diferentes tecnologias de acesso (Handover Vertical). Entretanto, o tempo de interrupção do serviço ainda é um problema a ser resolvido. A principal proposta deste trabalho é uma melhoria para Handovers Verticais utilizando mobilidade IP, objetivando o tão desejado Handover Transparente. Neste trabalho, fez-se uso do framework MIH (Media Independent Handover) fornecido pelo padrão IEEE 802.21 para habilitar o handover vertical em redes heterogêneas. Além disso, propõe-se uma extensão do protocolo FMIPv6 (Fast Handovers for Mobile IPv6), o FaHMA (Fast Handovers using Multicast Addressing), utilizando endereçamento multicast para gerenciar a mobilidade nesses tipos de rede. Para fazer a análise de desempenho, simulações foram utilizadas considerando-se métricas tais com o atraso do handover e a perda de pacotes como os critérios mais importantes para avaliar a efetividade da solução. Os resultados destas simulações mostraram que o FaHMA obtêm melhores resultados que o FMIPv6, inclusive em relação aos fatores que determinam a qualidade do funcionamento de aplicações multimídias em rede.

Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la conception et l’optimisation de performances inter-couches dans les réseaux maillés radio multi-canal multi-interface. Afin de profiter de l'augmentation de la capacité de ces réseaux, un certain nombre de problèmes doit être résolu. La première contribution de cette thèse est une nouvelle classification et une évaluation formelle des différentes stratégies d’assignation de canaux et d’interfaces. Nous adressons en particulier la connectivité en termes de formation de topologie, densité de connexions et découverte de voisinage. La deuxième contribution présente des algorithmes de broadcast fonctionnant pour n’importe quelle stratégie d’assignation multi-canal multi-interface. Ces algorithmes garantissent qu’un paquet de broadcast est délivré avec une probabilité minimale à tous les voisins. La troisième contribution de cette thèse propose d’évaluer la capacité (débit) obtenue à travers les différentes solutions d’assignation de canaux et d’interfaces. Plus précisément, nous proposons trois formulations de programmation linéaire mixte pour modéliser le routage et les contraintes de partage de bande passante en présence d'interférences. Nous dérivons ensuite des bornes supérieures et inférieures pour deux stratégies MAC différentes. Notre dernière contribution propose de développer une solution de routage inter-couches pour les réseaux maillés multi-canal multi-interface. En particulier, nous proposons une métrique de qualité de lien estimant la bande passante résiduelle d'un lien. Un protocole de routage adapté permet ensuite de trouver les routes offrant le meilleur débit. Toutes nos contributions sont validées par des nombreuses simulations qui démontrent l'efficacité de nos solutions. En résumé, cette thèse fournit une analyse en profondeur des réseaux maillés radio multi-canal multi-interface, ainsi que des lignes directrices pour les concepteurs de réseaux afin de déployer des réseaux performants. / In this PhD thesis, we focus on the design and performance optimization of multi-channel multi-interface wireless mesh networks. To take advantage of the increased capacity in such networks, a number of issues has to be handled properly. The first contribution of this thesis is a novel classification and formal evaluation of different channel and interface assignment strategies. In particular, we focus on connectivity in terms of topology formation, density of connections, and neighbor discovery. Our second contribution presents broadcast algorithms able to handle any of the multi-channel multi-interface assignment strategies. These algorithms guarantee a broadcast packet to be delivered with a minimum probability to all neighbors. The third contribution of this thesis consists in evaluating the network capacity (i.e., throughput) obtained through the different channel and interface assignments schemes. More specifically, we propose three mixed integer linear programming formulations to model the routing and bandwidth sharing constraints in presence of interference. We derive then upper and lower bounds for different MAC strategies. The fourth and last contribution of this thesis is the development of a novel cross-layer routing solution for multi-channel multi-interface mesh networks. In particular, we propose a link-quality aware metric to estimate the residual bandwidth of a link. An on-demand routing protocol selects the routes offering the best throughput. All our contributions are validated through extensive simulations that demonstrate the efficiency of our solutions. In summary, this thesis provide insight into the improvement of multi-channel multi-interface wireless mesh networks, as well as guidelines for network designers in planning efficient deployments.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O uso de dispositivos multi-interface, tais como smart phones, tem crescido ao mesmo tempo que as demandas por melhores serviÃos de mobilidade em redes heterogÃneas. Neste cenÃrio, a ideia da continuidade de serviÃos tornou-se um requisito crucial. Para atender essas demandas, esquemas eficientes de handover devem ser desenvolvidos com o objetivo de alcanÃar o chamado Handover Transparente, que significa a mudanÃa de domÃnios de rede de uma forma transparente e sem a descontinuidade dos serviÃos para o usuÃrio final. Atualmente, existem diferentes esquemas de handover e alguns deles podem envolver diferentes tecnologias de acesso (Handover Vertical). Entretanto, o tempo de interrupÃÃo do serviÃo ainda à um problema a ser resolvido. A principal proposta deste trabalho à uma melhoria para Handovers Verticais utilizando mobilidade IP, objetivando o tÃo desejado Handover Transparente. Neste trabalho, fez-se uso do framework MIH (Media Independent Handover) fornecido pelo padrÃo IEEE 802.21 para habilitar o handover vertical em redes heterogÃneas. AlÃm disso, propÃe-se uma extensÃo do protocolo FMIPv6 (Fast Handovers for Mobile IPv6), o FaHMA (Fast Handovers using Multicast Addressing), utilizando endereÃamento multicast para gerenciar a mobilidade nesses tipos de rede. Para fazer a anÃlise de desempenho, simulaÃÃes foram utilizadas considerando-se mÃtricas tais com o atraso do handover e a perda de pacotes como os critÃrios mais importantes para avaliar a efetividade da soluÃÃo. Os resultados destas simulaÃÃes mostraram que o FaHMA obtÃm melhores resultados que o FMIPv6, inclusive em relaÃÃo aos fatores que determinam a qualidade do funcionamento de aplicaÃÃes multimÃdias em rede. / The use of multi-interface devices such as smart phones has grown at the same time as the demands for efficient mobility services in heterogeneous networks. In this scenario, the idea of service continuity has become a crucial requirement. To achieve these demands, efficient handover schemes should be developed aiming to achieve Seamless Handover, which means the change of network domains in a transparent way and without services discontinuity to the end user. Currently, there are different schemes for handover and some of them may be used between different access technologies (Vertical Handover). However, the service time disruption is still a major problem to be solved. The main purpose of this study is to propose an improvement for Vertical Handovers using IP mobility, aiming at Seamless Handover. In this work, the framework provided by the MIH (Media Independent Handover) IEEE 802.21 is used to enable vertical handover in heterogeneous networks, and propose an extension of FMIPv6 (Fast Handovers for Mobile IPv6) called FaHMA (Fast Handovers using Multicast Addressing), using multicast in order to manage mobility in these types of networks. To make the performance analysis, we decided for simulations and we considerered metrics such as the handover delay and packet loss as the most important criteria for evaluating the effectiveness of our proposal. Simulation results have shown that FaHMA achieve better results than FMIPv6, including factors that determine the quality of operation in networked multimedia applications.

La diversité des technologies d'accès radio (e.g., GPRS, UMTS, HSDPA, Wi-Fi, WiMAX, LTE ...), leur complémentarité en termes de couverture, des caractéristiques (e.g., la bande passante, QoS) et des possibilités commerciales pour les opérateurs conduisent au développement des terminaux mobiles intégrant simultanément plusieurs interfaces radio. La capacité des terminaux mobiles utilisant simultanément différentes interfaces offre de nombreux avantages intéressants, tels que l'accès permanent et omniprésent, la fiabilité, le partage de charge, l'agrégation de bande passante disponible et la sélection d'interface basée sur plusieurs critères, etc. Les terminaux mobiles avec plusieurs interfaces radio ont la possibilité de choisir la "meilleure" interface en fonction de plusieurs paramètres tels que les caractéristiques des applications, les préférences des utilisateurs, les caractéristiques du réseau, les politiques d'opérateur et les contraintes tarifaires, etc. Il devient également possible d'associer les applications aux différentes interfaces de réseau basant sur les exigences d'application. Dans cette thèse, nous abordons le problème de sélection d'interface où un terminal mobile équipé de plusieurs interfaces peut sélectionner à tout moment la meilleure interface ou la meilleure technologie d'accès selon plusieurs critères. Nous considérons le problème de décision pour la sélection d'interface. Le problème de décision est un problème très complexe. On peut avoir les différent approches pour la section d'interface (e.g., fonction de coût, fonction d'utilité, ou la politique). Chaque approche est considérée comme un angle d'attaque. Nous nous intéressons l'approche MADM qui est une approche prometteuse pour la décision avec plusieurs attributs. Nous investiguons ces méthodes dans le contexte de la sélection d'interface. L'objectif fondamental des méthodes MADM est de déterminer la solution optimale parmi plusieurs solutions. MADM comprend de nombreuses méthodes, comme SAW (Simple Additive Weighting), WP (Weighting Product) et TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution). Le premier objectif de ma thèse est d'étudier et d'analyser les méthodes de MADM pour le problème de sélection d'interface. La première contribution est de proposer une étude de simulation qui met en évidence des limites des méthodes de MADM dans le contexte de la sélection d'interface. Par exemple, TOPSIS a le problème "d'anomalie de classement". Ce problème se produit lorsqu'une interface à faible classement est retirée de la liste du candidat (e.g., un réseau est déconnecté), l'ordre de classement des interfaces changera anormalement. La deuxième contribution propose l'algorithme de DiA (Distance to the ideal Alternative) qui permet au terminal mobile de sélectionner dynamiquement la meilleure interface. Nous montrons que DiA n'a pas le problème "d'anomalie de classement" qui est le défaut de la méthode TOPSIS. Les résultats de simulation valident l'algorithme de DiA. La troisième contribution s'attaque au problème d'association flux/interface où un terminal mobile équipé de plusieurs interfaces doit associer une application à l'interface spécifique appropriée. Nous proposons tout d'abord une fonction d'utilité interface. Cette fonction d'utilité permet d'identifier l'interface qui satisfait des besoins d'application et économise la consommation d'énergie du terminal mobile. Nous proposons ensuite un premier modèle d'association flux/interface qui permet d'associer séquentiellement des applications aux interfaces. Les attributs de réseau tels que le délai d'accès et le coût monétaire sont également pris en compte dans le régime. L'algorithme de DiA est utilisé pour classer les interfaces basées sur les valeurs d'utilité interface et les attributs de réseau. Les résultats de simulation sont présentés pour valider le schéma proposé. De plus, nous proposons un deuxième modèle d'association flux/interface. Dans ce modèle, un terminal peut associer simultanément plusieurs applications aux interfaces de réseau. Le modèle vise à maximise l'utilité globale du terminal. Ce problème est un problème d'optimisation. En particulaire, il est lié aux problèmes d'optimisation heuristique stochastique (i.e., méta-heuristique) qui sont principalement basées sur les techniques de recherche dont les solutions et l'ordre de recherche basent sur les procédures aléatoires. En première étape, nous étudions et réalisons une étude de simulation des méthodes d'optimisation heuristique stochastique, e.g., la recherche locale, la recherche de Tabou, la méthode de recuit simulée. Nous proposons ensuite une technique de diversification orientée pour la recherche Tabou comme une amélioration. Cela permet à la recherche Tabou d'éviter de se retrouve piégée plusieurs fois dans l'optimum local et d'augmenter les performances de la recherche Tabou dans notre contexte. Les résultats de simulation montrent que la méthode modifiée a meilleure performance comparée avec les autres algorithmes méta-heuristique dans notre contexte. Nous nous dirigeons ensuite vers une approche au niveau de réseau pour le problème d'association flux/interface. Nous considérons un système des terminaux mobiles multi-interface. Chaque terminal peut associer des applications aux interfaces. Comme plusieurs terminaux en concurrence pour les ressources de réseau commun, le système est modélisé comme un jeu stratégique. Notre objectif est de trouver des stratégies d'équilibre de Nash pour le jeu. Nous avons laissé le jeu évoluer en fonction de la dynamique de Replicateur et observons si le système converge et si les points stationnaires sont des équilibres de Nash. Nous montrons que la dynamique de Replicateur est positivement corrélée et le système est un jeu potentiel. Notre système converge vers des points stationnaires qui comprennent tous les équilibres de Nash. En outre, les points stationnaires sont efficaces car ils optimisent l'utilité du système. Un point intéressant est que nos résultats sont validés pour une fonction d'utilité générale qui dépend de l'état du système. Pour valider notre modèle et démontrer que le système converge vers des équilibres de Nash, nous mettons en œuvre les scénarios de simulation en utilisant un algorithme d'apprentissage Nash avec un schéma d'allocation de bande passante spécifique ainsi que d'une fonction d'utilité qui prend en compte le niveau de satisfaction d'application et la consommation d'énergie.

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