Real-Time communication support in IEEE 802.11 wireless mesh networks /

Abstract: The IEEE 802.11s standard has been proposed to specify a wireless mesh infrastructure over traditional IEEE 802.11 wireless local area networks (WLANs), enabling the support of wireless services for a wide range of applications through a multi-hop wireless relaying infrastructure. With...

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Detalhes bibliográficos
Principais autores:	Viegas, Carlos Manuel Dias., Vasques, Francisco., Portugal, Paulo., Universidade do Porto.
Formato:	Tese
Publicado em:
Assuntos:	Comunicação em tempo real - IEEE 802.11 - Qualidade de serviçso - Reserva - Recursos - Redes emalhadas sem fio -
Endereço do item:	https://app.bczm.ufrn.br/home/#/item/233736
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description	Abstract: The IEEE 802.11s standard has been proposed to specify a wireless mesh infrastructure over traditional IEEE 802.11 wireless local area networks (WLANs), enabling the support of wireless services for a wide range of applications through a multi-hop wireless relaying infrastructure. With the increased popularity of wireless mesh networks (WMNs), there is a current trend to deploy 802.11s-based WMNs in industrial environments, where real-time (RT) control applications may benefit from increased communication performance. However, the medium access control (MAC) mechanisms of 802.11s WMN standard present some relevant impairments for quality of service (QoS) provisioning in multi-hop communication scenarios, namely when the wireless channel is shared with uncontrolled non-RT traffic sources. Therefore, one of the fundamental questions that must be addressed when setting-up WMNs in industrial environments is: "How to guarantee the QoS requirements for RT data when the wireless channel is shared with uncontrolled non-RT traffic sources?" Within this context, the main objective of this thesis is to provide means to mitigate the MAC impairments on QoS provisioning, and, therefore, to support real-time communication in 802.11s WMNs. Accordingly, this thesis presents a study of the state-of-the-art in the context of RT communication support, pointing out the most relevant challenges and impairments for QoS provisioning in 802.11-based WMNs, as well as some of the proposed QoS solutions in the literature. Beyond this study, an extensive simulation assessment of the default MAC mechanism of 802.11s WMN standard has been done, that demonstrates its inability to support RT communication when the wireless channel is shared with uncontrolled non-RT traffic sources. The assessment results indicate that RT traffic is severely impacted by the presence of non-RT traffic, suggesting that the MAC mechanism should be aided by resource reservation mechanisms to fulfill the QoS requirements for RT traffic in WMNs. For the simulation assessments performed within this thesis, the following assumptions have been made: (i) the real-time communication environment is established with a stationary topology limited by boundary wireless mesh stations; (ii) the wireless medium is shared among RT and non-RT traffic sources, in a fully-distributed channel access control; (iii) the network utilization imposed by the interfering stations (i.e. stations transmitting non-RT traffic) is out of the sphere-of-control of the MAC protocol. In this sense, this thesis proposes a new resource reservation (RR) scheme to aid the default MAC mechanism of 802.11s, to support RT communication in WMNs when the wireless channel is shared with non-RT traffic sources. The proposed scheme, called mesh resource reservation (MRR) scheme, reserves time intervals throughout an RT path, during which the neighboring non-RT traffic sources are compelled to contend for the channel in a slowdown contention mode. The objective of this slowdown contention mode is to alleviate the surrounding interferences over the real-time communication. The effectiveness of the MRR scheme has been assessed by a set of simulation experiments, and compared with other RR schemes available in the literature. The results have demonstrated that, in general, RR schemes are able to mitigate the most relevant impairments regarding the RT communication support in WMNs. Besides, the MRR scheme is also able to efficiendy control the impact from interfering non-RT traffic sources in the mesh network. Keywords: Real-time communication; Quality of service; Resource reservation; IEEE 802.11s; Wireless mesh networks. #$&Resumo: O padrão IEEE 802.11s foi proposto para especificar uma infraestrutura emalhada sem fios sobre as tradicionais redes de área local baseadas no padrão sem fios IEEE 802.11, desta forma ampliando o provimento de serviços sem fios para as aplicações através de uma infraestrutura de encaminhamento de múltiplos saltos. Com a crescente popularidade das redes emalhadas sem fios, atualmente existe uma tendência para a implantação de redes emalhadas baseadas no padrão 802.11s em ambientes industriais, nos quais as aplicações de controlo de tempo-real podem beneficiar-se de um desempenho melhorado. Entretanto, os mecanismos de controlo de acesso ao meio do padrão 802.11s apresentam falhas relevantes no que respeita ao provisionamento de qualidade de serviço em cenários de comunicação em múltiplos saltos, nomeadamente quando o canal sem fio e compartilhado com fontes não-controladas de trafego não-tempo-real. Desta forma, uma das questões fundamentais que deve ser abordada quando as redes emalhadas sem fios são implantadas em ambientes industriais e: "Como garantir os requisitos de qualidade de serviço do trafego de tempo-real quando o canal sem fio e compartilhado com fontes não-controladas de trafego não-tempo-real?" Neste contexto, o principal objetivo desta tese é de fornecer meios para minimizar as falhas dos mecanismos de controlo de acesso ao meio no que respeita ao provisionamento de qualidade de serviço, e, assim, dar suporte à comunicação de tempo-real em redes emalhadas sem fios baseadas no padrão 802.11s. Por conseguinte, esta tese apresenta um estudo do estado da arte no contexto do suporte a comunicação de tempo-real, destacando os desafios e as falhas mais relevantes para o provisionamento de qualidade de serviço em redes emalhadas 802.11s, assim como também apresenta algumas das soluções de qualidade de serviço propostas na literatura. Além deste estudo, foi realizada uma extensiva avaliação por simulações do mecanismo de controlo de acesso ao meio, por defeito, do padrão 802.11s, onde é demonstrada a sua incapacidade em prover suporte a comunicação de tempo-real quando o canal sem fio e compartilhado com fontes não-controladas de trafego não-tempo-real. Os resultados da avaliação indicam que o trafego de tempo-real sofre um elevado impacto causado pela presença de trafego não-tempo-real, sugerindo que o mecanismo de controlo de acesso ao meio deve ser auxiliado por mecanismos de reserva de recursos para cumprir os requisitos de qualidade de serviço do trafego de tempo-real nas redes emalhadas sem fios. Para as avaliações por simulação realizadas nesta tese, foram considerados os seguintes pressupostos: (i) o ambiente de comunicação de tempo-real e estabelecido através de uma topologia estacionaria, limitada por estacoes de malha sem fios na fronteira; (ii) o canal sem fio e compartilhado entre fontes de trafego de tempo-real e de não-tempo-real, com um controlo do canal totalmente distribuído; (iii) a utilização da rede imposta pelas estações de interferência (ou seja, que transmitem trafego não-tempo-real) está fora do domínio do protocolo de controlo de acesso ao meio. Neste sentido, esta tese propõe um novo esquema de reserva de recursos para auxiliar o mecanismo de controlo de acesso ao meio, por defeito, do padrão 802.11s, a dar suporte a comunicação de tempo-real em redes emalhadas sem fios, especialmente quando o canal sem fio e compartilhado com fontes de trafego não-tempo-real. O esquema proposto, denominado Mesh Resource Reservation (MRR), reserva intervalos de tempo ao longo de todo um caminho de comunicação de tempo-real, durante os quais as fontes de trafego não-tempo-real na vizinhança são obrigadas a competir pelo acesso ao canal em modo de abrandamento. O objetivo deste modo é de diminuir as interferências circundantes sobre a comunicação de tempo-real. A eficácia do esquema MRR foi avaliada através de um conjunto de experimentos de simulação, e comparado com outros esquemas de reserva de recursos disponíveis na literatura. Os resultados demonstraram que, em geral, os esquemas de reserva de recursos são capazes de mitigar as falhas mais relevantes relacionadas ao suporte da comunicação de tempo-real em redes emalhadas sem fios. Além disso, o esquema MRR e também capaz de controlar de forma eficiente o impacto das interferências causadas pelas fontes de trafego não-tempo-real na rede. Palavras-chave: Comunicação de tempo-real; Qualidade de serviço; Reserva de recursos; IEEE 802.11s; Redes emalhadas sem fios.
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However, the medium access control (MAC) mechanisms of 802.11s WMN standard present some relevant impairments for quality of service (QoS) provisioning in multi-hop communication scenarios, namely when the wireless channel is shared with uncontrolled non-RT traffic sources. Therefore, one of the fundamental questions that must be addressed when setting-up WMNs in industrial environments is: "How to guarantee the QoS requirements for RT data when the wireless channel is shared with uncontrolled non-RT traffic sources?" Within this context, the main objective of this thesis is to provide means to mitigate the MAC impairments on QoS provisioning, and, therefore, to support real-time communication in 802.11s WMNs. Accordingly, this thesis presents a study of the state-of-the-art in the context of RT communication support, pointing out the most relevant challenges and impairments for QoS provisioning in 802.11-based WMNs, as well as some of the proposed QoS solutions in the literature. Beyond this study, an extensive simulation assessment of the default MAC mechanism of 802.11s WMN standard has been done, that demonstrates its inability to support RT communication when the wireless channel is shared with uncontrolled non-RT traffic sources. The assessment results indicate that RT traffic is severely impacted by the presence of non-RT traffic, suggesting that the MAC mechanism should be aided by resource reservation mechanisms to fulfill the QoS requirements for RT traffic in WMNs. For the simulation assessments performed within this thesis, the following assumptions have been made: (i) the real-time communication environment is established with a stationary topology limited by boundary wireless mesh stations; (ii) the wireless medium is shared among RT and non-RT traffic sources, in a fully-distributed channel access control; (iii) the network utilization imposed by the interfering stations (i.e. stations transmitting non-RT traffic) is out of the sphere-of-control of the MAC protocol. In this sense, this thesis proposes a new resource reservation (RR) scheme to aid the default MAC mechanism of 802.11s, to support RT communication in WMNs when the wireless channel is shared with non-RT traffic sources. The proposed scheme, called mesh resource reservation (MRR) scheme, reserves time intervals throughout an RT path, during which the neighboring non-RT traffic sources are compelled to contend for the channel in a slowdown contention mode. The objective of this slowdown contention mode is to alleviate the surrounding interferences over the real-time communication. The effectiveness of the MRR scheme has been assessed by a set of simulation experiments, and compared with other RR schemes available in the literature. The results have demonstrated that, in general, RR schemes are able to mitigate the most relevant impairments regarding the RT communication support in WMNs. Besides, the MRR scheme is also able to efficiendy control the impact from interfering non-RT traffic sources in the mesh network. Keywords: Real-time communication; Quality of service; Resource reservation; IEEE 802.11s; Wireless mesh networks. #$&Resumo: O padrão IEEE 802.11s foi proposto para especificar uma infraestrutura emalhada sem fios sobre as tradicionais redes de área local baseadas no padrão sem fios IEEE 802.11, desta forma ampliando o provimento de serviços sem fios para as aplicações através de uma infraestrutura de encaminhamento de múltiplos saltos. Com a crescente popularidade das redes emalhadas sem fios, atualmente existe uma tendência para a implantação de redes emalhadas baseadas no padrão 802.11s em ambientes industriais, nos quais as aplicações de controlo de tempo-real podem beneficiar-se de um desempenho melhorado. Entretanto, os mecanismos de controlo de acesso ao meio do padrão 802.11s apresentam falhas relevantes no que respeita ao provisionamento de qualidade de serviço em cenários de comunicação em múltiplos saltos, nomeadamente quando o canal sem fio e compartilhado com fontes não-controladas de trafego não-tempo-real. Desta forma, uma das questões fundamentais que deve ser abordada quando as redes emalhadas sem fios são implantadas em ambientes industriais e: "Como garantir os requisitos de qualidade de serviço do trafego de tempo-real quando o canal sem fio e compartilhado com fontes não-controladas de trafego não-tempo-real?" Neste contexto, o principal objetivo desta tese é de fornecer meios para minimizar as falhas dos mecanismos de controlo de acesso ao meio no que respeita ao provisionamento de qualidade de serviço, e, assim, dar suporte à comunicação de tempo-real em redes emalhadas sem fios baseadas no padrão 802.11s. Por conseguinte, esta tese apresenta um estudo do estado da arte no contexto do suporte a comunicação de tempo-real, destacando os desafios e as falhas mais relevantes para o provisionamento de qualidade de serviço em redes emalhadas 802.11s, assim como também apresenta algumas das soluções de qualidade de serviço propostas na literatura. Além deste estudo, foi realizada uma extensiva avaliação por simulações do mecanismo de controlo de acesso ao meio, por defeito, do padrão 802.11s, onde é demonstrada a sua incapacidade em prover suporte a comunicação de tempo-real quando o canal sem fio e compartilhado com fontes não-controladas de trafego não-tempo-real. Os resultados da avaliação indicam que o trafego de tempo-real sofre um elevado impacto causado pela presença de trafego não-tempo-real, sugerindo que o mecanismo de controlo de acesso ao meio deve ser auxiliado por mecanismos de reserva de recursos para cumprir os requisitos de qualidade de serviço do trafego de tempo-real nas redes emalhadas sem fios. Para as avaliações por simulação realizadas nesta tese, foram considerados os seguintes pressupostos: (i) o ambiente de comunicação de tempo-real e estabelecido através de uma topologia estacionaria, limitada por estacoes de malha sem fios na fronteira; (ii) o canal sem fio e compartilhado entre fontes de trafego de tempo-real e de não-tempo-real, com um controlo do canal totalmente distribuído; (iii) a utilização da rede imposta pelas estações de interferência (ou seja, que transmitem trafego não-tempo-real) está fora do domínio do protocolo de controlo de acesso ao meio. Neste sentido, esta tese propõe um novo esquema de reserva de recursos para auxiliar o mecanismo de controlo de acesso ao meio, por defeito, do padrão 802.11s, a dar suporte a comunicação de tempo-real em redes emalhadas sem fios, especialmente quando o canal sem fio e compartilhado com fontes de trafego não-tempo-real. O esquema proposto, denominado Mesh Resource Reservation (MRR), reserva intervalos de tempo ao longo de todo um caminho de comunicação de tempo-real, durante os quais as fontes de trafego não-tempo-real na vizinhança são obrigadas a competir pelo acesso ao canal em modo de abrandamento. O objetivo deste modo é de diminuir as interferências circundantes sobre a comunicação de tempo-real. A eficácia do esquema MRR foi avaliada através de um conjunto de experimentos de simulação, e comparado com outros esquemas de reserva de recursos disponíveis na literatura. Os resultados demonstraram que, em geral, os esquemas de reserva de recursos são capazes de mitigar as falhas mais relevantes relacionadas ao suporte da comunicação de tempo-real em redes emalhadas sem fios. Além disso, o esquema MRR e também capaz de controlar de forma eficiente o impacto das interferências causadas pelas fontes de trafego não-tempo-real na rede. Palavras-chave: Comunicação de tempo-real; Qualidade de serviço; Reserva de recursos; IEEE 802.11s; Redes emalhadas sem fios. 1 2022-10-06T15:39:40Z 2022-10-06T15:39:40Z 2015. Tese 681.5 V656r TESE 233736 https://app.bczm.ufrn.br/home/#/item/233736 https://app.bczm.ufrn.br/home/#/item/233736

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