Contribution to provide QoS over Mobile Ad Hoc Networks for Video-Streaming Services based on Adaptive Cross-Layer Architecture

Tesis Doctoral

Contribuciń para proveer Calidad de Servicio sobre
o
redes m´viles Ad Hoc en servicios de streaming de v´
o ıdeo
basada en una arquitectura adaptativa con diseõ
n
transversal entre capas

Autor: V´
ıctor Carrascal Fr´
ıas

Dra. de Tesis: Mńica Aguilar Igartua
o

Departamento de Ingenier´ Telem´tica
ıa a
Universidad Politćnica de Cataluã
e n
Marzo 2009

http://sertel.upc.es

UPC V´
ıctor Carrascal - vcarrascal@entel.upc.edu Marzo 2009 1 / 78

Contenido de la presentaciń
o

Redes IEEE 802.11
1

Redes inal´mbricas Ad Hoc IEEE 802.11
a
2

V´
ıdeo bajo demanda (VoD)
3

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing
4

Probabilidad de error del camino
5

Ventana de contenciń din´mica
o a
6

Teor´ de juegos aplicada al encaminamiento
ıa
7

Reputaciń de los nodos en redes MANET
o
8

Simulador utilizado e implementaciones desarrolladas
9

Conclusiones y l´
ıneas futuras
10

Publicaciones
11

UPC V´

Contenido de la presentaci´n
o
Redes IEEE 802.11
1

a
2

V´
3

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing
4

Probabilidad de error del camino
5

o a
6

ıa
7

o
8

Simulador utilizado e implementaciones desarrolladas
9

Conclusiones y l´
ıneas futuras
10

Publicaciones
11

Redes IEEE 802.11 Introducci´n
o

Figura: Ancho de banda vs. cobertura de diferentes tecnolog´ inal´mbricas.
ıas a
WiFi (Wireless Fidelity )
WLAN (Wireless Local Area Network)
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
LMDS (Local Multipoint Distribution Service)
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
GPRS (General Packet Radio Service)
GSM (Global System for Mobile communications)
UPC V´

Redes IEEE 802.11 Caracter´
ısticas

Redes IEEE 802.11

IEEE 802.11 es un conjunto de estńdares para las redes inal´mbricas
a a
de area local (WLAN).
Opera sobre los 2.4 y 5 GHz.
La primera versiń (fam´ 802.11) naci´ en 1997, operando sobre los
o ılia o
2.4 GHz con velocidades de transmisiń de 1 y 2 Mbit/s.
o
Con el tiempo han surgido extensiones al estńdar, siendo IEEE
a
802.11b una de las que ha alcanzado mayor repercusiń entre los
o
usuarios.

UPC V´

Redes IEEE 802.11 Caracter´
ısticas

Mecanismos de acceso al medio
Point Coordination Function (PCF): en este caso el acceso es centralizado, y
todas las peticiones pasarń previamente por un nodo central llamado Punto
a
de Acceso (Access Point, AP).
Distributed Coordination Function (DCF): usa CSMA/CA (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Avoidance) para acceder al canal en redes
descentralizadas.

Extensiones del estńdar 802.11
a
IEEE 802.11: estńdar original.
a
IEEE 802.11b: tasas de transmisiń incrementadas, 5.5 y 11 Mbit/s.
o
IEEE 802.11a: 54 Mbit/s, 5 GHz.
IEEE 802.11g: mejora y mayor compatibilidad de 802.11b.
IEEE 802.11i: extensiń centrada en la seguridad.
o
IEEE 802.11e: mejora de la calidad de servicio.

UPC V´

Redes IEEE 802.11 802.11e: enfocado a QoS

Extensi´n IEEE 802.11e
o
Mejora DCF y PCF ofreciendo HCF (Hybrid Coordination Function).
HCF deﬁne dos nuevos mecanismos de acceso: Enhanced Distributed
Channel Access (EDCA) y Hybrid Coordination Function Controlled Channel
Access (HCCA).
Ofrece cuatro categor´ de acceso con diferentes prioridades, controlando
ıas
cada una de ellas sus propios par´metros de acceso al medio y cola.
a

UPC V´

Redes IEEE 802.11 802.11e: enfocado a QoS

Extensiń IEEE 802.11e
o
Ventana de contenciń (CW, Contention Window ): n´mero aleatorio
o u
escogido dentro de un rango determinado (diferente para cada AC)
con el que se ejecuta el mecanismo de backoff ).
TXOP limit: m´ximo tiempo para transmisiń consecutiva de un nodo
a o
desde que ha conseguido el derecho a transmitir.
AIFS (Arbitration InterFrame Space): n´mero m´ximo de
u a
retransmisiones consecutivas permitidas.

Access Category CWmin CWmax AIFS TXOPLimit
AC BK = AC3 15 1023 7 0
AC BE = AC2 15 1023 3 0
AC VI = AC1 7 15 2 3.008
AC VO = AC0 3 7 2 1.504
Cuadro: Valores de par´metros AC en IEEE 802.11e.
a

UPC V´

a Clasificaciń de las redes Ad Hoc
o

Clasificaciń de las redes Ad Hoc
o
a) WSNs: Wireless Sensor Networks.
b) WMNs: Wireless Mesh Networks.
c) VANETs: Vehicular Ad Hoc Networks.
d) MANETs: Mobile Ad Hoc Networks.

(a) Sensor (b) One Laptop Per
Child project (OLPC)

(c) VANETs (d) Red MANET
UPC V´

a Clasificaciń de las redes Ad Hoc
o

Redes m´biles Ad Hoc (MANETs)
o
MANETs (Mobile Ad Hoc NETworks) son redes creadas para
solucionar comunicaciones en entornos de dif´ o imposible
ıcil
instalaciń de infraestructura.
o
Carecen de infraestructura fija siendo los propios dispositivos los que
forman la red.
Se crean espontńeamente por los dispositivos.
a

Aplicaciones de las MANET
Entorno civil.
´
Areas de desastre.
Aplicaciones tćticas y gubernamentales.
a
Misiones de exploraciń.
o
Compartir informaciń.
o

UPC V´

a Caracter´
ısticas de las redes MANET

Caracter´
ısticas de las redes MANET
Administraciń distribuida.
o
Topolog´ din´mica.
ıa a
Capacidad variable de los enlaces.
Duraciń limitada de las bater´
o ıas.

Puntos de especial inter´s en cuanto a su estudio
e
Encaminamiento.
Eficiencia.
Calidad de Servicio.
Consumo de energ´
ıa.
Robustez y seguridad.

UPC V´

a Protocolo DSR

Protocolo DSR (Dynamic Source Routing )
Simple y eficiente, operando completamente bajo demanda.
Usa mecanismos RREQ/RERR (Route Request / Route Error ), con
seãlizaciń reducida.
n o
Sin broadcasts peri´dicos.
o
Alta latencia al buscar nuevas rutas.
No apropiado para redes grandes (> 250 nodos).

(a) (b)

UPC V´

a Protocolo DSR

Usa mecanismos RREQ/RERR (Route Request / Route Error ), con
overhead reducido.
o

(c) (d)

UPC V´

a Protocolo DSR

Usa mecanismos RREQ/RERR (Route Request / Route Error ).
o

UPC V´

V´

Plataformas de v´
ıdeo

Formatos de v´
ıdeo
Adobe Flash
Windows Media
RealMedia
MPEG
Quicktime

M´todos de transmisi´n
e o
Descarga
Descarga progresiva
Streaming

UPC V´

V´

Formato MPEG

MPEG (Moving Picture Experts Group) es un m´todo estńdar para
e a
transmitir v´
ıdeo y audio digital en formato comprimido usando menor ancho
de banda que con el tradicional m´todo anal´gico.
e o
MPEG-2 VBR (Variable Bit Rate) est´ formado por tres tipos de marcos: I
a
(Intra-coded), P (Predictive-coded), B (Bidirectionally-predictive-coded).
Los marcos [I,P,B] se agrupan entre s´ para formar un GoP (Group Of
ı
Pictures), existiendo una determinada interrelaciń entre ellos.
o
Relevancia en la decodificaciń: I > P > B.
o

UPC V´

V´

Protocolo de Transporte

Para transportar el v´
ıdeo hemos utilizado UDP (User Datagram
Protocol) sobre RTP/RTCP (Real Time Protocol/Real Time
Control Protocol).
RTP incluye ciertas funcionalidades QoS.
Se monitorizan par´metros de la conexi´n establecida mediante env´
a o ıos
peri´dicos de paquetes de control RTCP-RR (Receiver Report).
o
Par´metros monitorizados: retardo, variaci´n del retardo (delay
a o
jitter ), porcentaje total y parcial de paquetes perdidos, n´mero
u
de secuencia m´s alto recibido.
a

UPC V´

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Diseõ
n

MMDSR: Arquitectura propuesta

Propuesta de protocolo de encaminamiento
MMDSR (Multipath Multimedia Dynamic Source Routing protocol)
es un protocolo de capa cruzada espec´
ıfico para servicios de streaming
de v´
ıdeo con capacidad de encaminamiento multicamino.
Se ha partido del protocolo DSR como motor de encaminamiento.
Monitorizaciń del estado de la red mediante env´ peri´dicos de
o ıos o
mensajes de control.
C´lculo din´mico de par´metros de QoS sobre los caminos disponibles.
a a a
Periodo adaptativo del algoritmo de encaminamiento.

UPC V´

n


Qu´ beneficios obtenemos
e
Un protocolo capaz de proveer QoS a m´ltiples fuentes de v´
u ıdeo
transmitiendo simultńeamente en la misma red Ad Hoc, incluso en
a
situaciones con alta carga de tr´fico.
a
Al utilizar tćnicas multicamino se balancea la carga, incrementando
e
la robustez de la transmisiń y reduciendo el retardo extremo a
o
extremo.
Un sistema que es capaz de tratar a los paquetes con diferentes
prioridades dependiendo de su relevancia con respecto al flujo de
v´
ıdeo.

UPC V´

n


En los primeros trabajos se demostr´ que no val´ la pena mantener m´s de
o ıa a
tres caminos simultńeamente al usar tćnicas multicamino.
a e
Los marcos tipo I se env´ a trav´s del mejor camino disponible, los tipo P
ıan e
a trav´s del segundo mejor camino disponible y los B a trav´s del tercero.
e e

PQ (Priority Queue)
FIFO (First In First Out)
BE (Best Effort)

UPC V´

n


En IEEE 802.11e se trabaja con un sistema de colas de cuatro
prioridades en el nivel de acceso MAC (Medium Access Control)
Los marcos m´s relevantes para el esquema de decodificaciń de v´
a o ıdeo
tienen una prioridad m´s alta sobre los otros.
a

Colas de paquetes (AC0 a AC3)
AC0: seãlizaciń MMDSR.
n o
AC1: paquetes de alta prioridad (marcos I).
AC2: paquetes de prioridad media (marcos P).
AC3: paquetes de baja prioridad (marcos B + Best Effort).

UPC V´

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Operatividad

Funcionamiento del protocolo MMDSR

MMDSR descubre peri´dicamente los caminos disponibles entre los nodos
o
1

fuente y destino, usando el motor de encaminamiento del protocolo DSR.
Un mensaje sonda (Probe Message (PM)) es enviado a trav´s de cada uno
e
2

de los caminos descubiertos. Los nodos intermedios actualizan la
informaciń contenida en el PM respecto a la calidad del enlace.
o
En el destino se genera un paquete respuesta al paquete sonda y se env´ de
ıa
3

vuelta a la fuente por cada uno de los caminos disponibles.
Se procesa la informaciń, asignando una calificaciń a cada camino.
o o
4

Los caminos se clasifican siguiendo un patrń establecido. Se utilizarń hasta
o a
5

la pr´xima iteraciń del algoritmo.
o o

UPC V´


Funcionamiento del protocolo MMDSR

Los par´metros calculados para cada uno de los caminos disponibles se recogen
a
en un vector denominado path-state:
i
i
path − statek ≡ {RM, MM, p, d, j, BWe, h}k
donde i es el n´mero de iteraciń del algoritmo y k se refiere a cada uno de los
u o
caminos seleccionados K (con K ≤ D).
i
M´trica de fiabilidad (Reliability Metric (RM)) RMk
e
i
M´trica de movilidad (Mobility Metric (MM)) MMk
e
i
Porcentaje de p´rdidas pk
e
i
Retardo dk
i
Retardo entre paquetes (delay jitter ) jk
i
Ancho de banda disponible extremo a extremo BWek
i
N´mero de saltos hk
u

UPC V´


Mensajes Hola (Hello Messages, HM)
Los mensajes Hola (Hello Messages, (HM))) ayudan a calcular Reliability
Metric (RM) y Mobility Metric (MM).
Los HM se env´ cada segundo por nodos que pertenecen a un camino
ıan
implicado en una transmisi´n de v´
o ıdeo.
Una vez que un HM es recibido, el nodo receptor calcula la SINR
(Signal-to-Interference plus Noise Ratio) referente al paquete recibido y
adjunta este valor en un paquete Hola Respuesta (Hello Message Reply,
HMR), el cual se env´ de vuelta a la fuente del HM.
ıa

UPC V´

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing C´lculo de par´metros de QoS
a a

i
M´trica de Fiabilidad, (Reliability Metric) RMk
e

If SINRjk,i ≥ 25dB, then xjk,i = 3

If 15dB ≤ SINRjk,i < 25dB, then xjk,i = 2

If 10dB ≤ SINRjk,i < 15dB, then xjk,i = 1

If SINRjk,i < 10dB, then xjk,i = 0

v
ui
uj=Lk −1
Li
xjk,i
uY
k k
RMmean =t
j=1

i−1
k i
If (RMmean > 2 · fRM ) then RMk = 3
i−1 i−1
k i
If ( 1,5 · fRM ) < RMmean ≤ 2 · fRM ) then RMk = 2
i−1 i−1
k i
If ( 1 · fRM < RMmean ≤ 1,5 · fRM ) then RMk = 1
i−1
k i
If (RMmean ≤ 1 · fRM ) then RMk = 0

UPC V´

a a

i
M´trica de Movilidad, (Mobility Metric) MMk
e

2 !2 3
i
RxPrY →X
i
MX = E 4 10log10 5
i−1
RxPrY →X

If ( MX < 0,02 · fMM ) then MMjk,i = 3
i−1
i

If ( 0,02 · fMM ≤ MX < 0,08 · fMM ) then MMjk,i = 2
i−1 i−1
i

If ( 0,08 · fMM ≤ MX < 0,5 · fMM ) then MMjk,i = 1
i−1 i−1
i

If ( MX ≥ 0,5 · fMM ) then MMjk,i = 0
i−1
i

Pj=Lik −1
MMjk,i
j=1
i
MMk =
Lik

UPC V´

a a

Asignaciń de pik (p´rdidas), dik (retardo) y jik (jitter) :
o e
i−1
If ( vX < 0,4 · fpdj · vMAX ) Mv k,i = 2
i

i−1 i−1
If ( 0,4 · fpdj · vMAX ≤ vX < 0,8 · fpdj · vMAX ) Mv k,i = 1
i

i−1
If ( vX > 0,8 · fpdj · vMAX ) Mv k,i = 0
i

i
Asignaciń de BWk (ancho de banda extremo a extremo) :
o
If ( BWek > 1,2 · fBW · BWmin ) MBWjk,i = 2
i−1
i

If ( fBW · BWmin ≤ BWek ≤ 1,2 · fBW · BWmin ) MBWjk,i = 1
i−1 i−1
i

If ( BWek < ·fBW · BWmin MBWjk,i = 0
i−1
i

Asignaciń de Hik (n´mero de saltos del camino) :
o u
i i i
If hmin ≤ hk < Bi , then Mhk = 2
i i
If Bi ≤ hk ≤ Ai , then Mhk = 1
i i i
If Ai < hk ≤ hmax , then Mhk = 0

UPC V´

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Clasificaciń de los caminos
o

Clasificaciń de los caminos
o

Una vez que los caminos han sido seleccionados y calificados, MMDSR los ordena
segń este algoritmo:
u

Orden de clasificaciń:
o
i i
RMk + MMk
1

i
Mhk
2

MBWki
3

i i
Mpk + Mjk
4

i
Mdk
5

Entre las muchas opciones posibles para configurar esta lista, hemos escogido RM
y MM como los par´metros m´s importantes de cara a clasificar los caminos.
a a
En los servicios de video-streaming los caminos m´s fiables y estables son
a
preferidos. Retardo, jitter y p´rdidas no son m´tricas tan determinantes.
e e

UPC V´

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Actualizando s-MMDSR a a-MMDSR

Introduciendo adaptaciń en MMDSR
o

Sin adaptaciń: en situaciones de alto tr´fico todos los caminos
o a
obtienen valores bajos en sus calificaciones, dificultando su distinciń.
o
Si el periodo del algoritmo es fijo: la cantidad de tr´fico generado por
a
seãlizaciń es la misma tanto en situaciones de poco tr´fico como de
n o a
alta carga.
Con adaptaciń: se aplica un factor de correcciń para ajustar
o o
din´micamente los rangos para asignar calificaciones.
a
Se produce menos tr´fico de seãlizaciń en situaciones estables,
a n o
mientras que en situaciones de alta movilidad se necesitan caminos
nuevos m´s frecuentemente (la topolog´ cambia m´s r´pido).
a ıa aa

UPC V´

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Actualizando s-MMDSR a a-MMDSR

Rangos y periodo adaptativo

NState i = wRM · RM i + wMM · MM i + wBWe · BWe i +
+wp · Mp i + wd · Md i + wj · Mj i + wh · Mhi

wRM + wMM + wBWe + wp + wd + wj + wh = 1

i+1
fRM = 0,4 · NState i + 0,6
i+1
fMM = −0,6 · NState i + 2
i+1
fpdj = −0,4 · NState i + 1,5
i+1
fBW = 0,12 · NState i + 0,9

MMDSRperiod = 10 · NState i + 3
i

UPC V´

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Rendimiento de s-MMDSR

Resultados con static-MMDSR (s-MMDSR)

Area 500x500 m
Numero de nodos 20
Vel. m´x. nodos
a 5m/s
Cobertura 70m
Patrń de movimiento
o Random Waypoint
Especificaciń MAC
o IEEE 802.11b
Ancho de banda 11 Mbps
Tiempo de simulaciń o 100s
Codificaciń de v´
o ıdeo MPEG-2 VBR (Blade Runner)
Tasa del v´
ıdeo 1.6 Mbps
Protocolo de transporte RTP/RTCP/UDP
Tamaõ m´ximo de paquete
n a 1500 bytes
Tamaõ de las colas
n 80 paquetes
Fuentes de v´ıdeo 5
Ruido del canal -92 dBm
M´ltiples rutas
u De 1 a 3

UPC V´

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Rendimiento de s-MMDSR

UPC V´

MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Rendimiento de a-MMDSR

Resultados con adaptive-MMDSR (a-MMDSR)

Area 400x400 m
N´mero de nodos
u 80
Vel. m´x. nodos
a 10m/s
Cobertura 70m
Patrń de movimiento
o Random Waypoint
o IEEE 802.11b
Ancho de banda 11 Mbps
Tiempo de simulacińo 250s
o ıdeo MPEG-2 VBR
Tasa del v´
ıdeo 150 Kbps
n a 1500 bytes
Esquema multicamino N=3
Tamaõ de cola
n 80 packets
wx 1/7
Tasa del tr´fico CBR interferente
a 150 Kbps

UPC V´


Figura: Evoluci´n de p´rdidas de paquete para DSR, s-MMDSR y a-MMDSR.
o e

UPC V´


Figura: Evoluci´n de PSNR para DSR, s-MMDSR y a-MMDSR.
o

UPC V´


Figura: Evoluciń del periodo del algoritmo de s-MMDSR y a-MMDSR.
o

DSR 0.4 %
s-MMDSR 6.5 %
a-MMDSR 5.2 %
Cuadro: Seãlizaciń introducida.
n o

UPC V´

Probabilidad de error del camino Objetivos

Crear un modelo anal´
ıtico capaz de estimar el tiempo de vida de las rutas:
Modelar el movimiento de los nodos en una MANET.
1

Calcular la probabilidad de error del enlace (Link Error Probability (LEP)).
2

Modelar la Probabilidad de error de un camino, (Path Error Probability
3

(PEP)).
Estimar el tiempo de vida de las rutas.
4

´
(a) Area de la red Ad (b) Random Waypoint Mobility Model (RWMM).
Hoc.

UPC V´

Probabilidad de error del camino Longitud media de los intervalos

Longitud media de la secuencia de los intervalos en una MANET:
d2
“ ”
8
2d 4d
π− 0≤d ≤W
+
W2 W2
>
W
>
>
>
>
>
>
2d
2 · arcsen W − 2 · arccos W +
>
<
W2 √ d d
fd (d) = √
4 d 2 −W 2 −W W 2 +d 2
− W <d ≤ 2·W
>
>
W2
W
>
>
>
>
√
>
>
2·W <d
:
0

[L.E. Miller, 2001]

Figura: PDF de la distancia (d) entre dos nodos para W =1 m.
UPC V´

Probabilidad de error del camino Calculando la probabilidad de error del enlace (LEP)

x x
p(d > y ) · pdfd (y ) · dy = (1 − p(d ≤ y )) · pdfd (y ) · dy =
LEP(x) =
0 0
x
(1 − CDFd (y )) · pdfd (y ) · dy , 0 ≤ x ≤ r
=
0
——————
„ „ ««
x −µ
1
x) ∼ CDFgaussian (x) = √
p(d 1 + erf =
=
2 2σ
”2n+1
0 1
“
n x−µ
∞
2 X (−1) √2σ
1B
= @1 + √ A, 0 x r
C
2 π n=0 n!(2n + 1)

——————

r
µ·t
LEP(r , µ, t) ≈ 1 − e − ,0 ≤ t ≤
r
µ

UPC V´


H
X
(1 − LEP(r , µ, t))i · p(i hops)
PEP(N, W , r , µ, t) = 1 −
i=1
√
„ «
2·W
H = min N − 1,
r
Z i·r
fd (x) · dx
p(i hops) =
(i−1)·r

PEP(N, W , r , µ, Trouting ) = PEPthreshold

N=50 nodos, W=500m, r=120m
µ·Trouting µ·Trouting
PEPthreshold = 0,6 = 1 − (e − · 0,1457 + e − · 0,3097+
120 60

µ·Trouting µ·Trouting
− −
· 0,3122 + e · 0,1930)
+e 40 30

UPC V´


Figura: PEP, an´lisis vs. simulaci´n. r =120m, W =500m, H=4 hops.
a o
µ (m/s) An´lisis Trouting (s)
a Simulaci´n Trouting (s)
o
1 43.77 53
2 21.85 25.98
3 14.58 16.66
4 10.96 12.8
5 8.79 10.5
UPC V´

Probabilidad de error del camino Resultados obtenidos

´
Area 500x500 m
N´mero de nodos
u 50
Velocidad media 1, 2, 3, 4, 5 m/s
Cobertura 120m
Patrń de movilidad
o Random Waypoint
o IEEE 802.11e
Ancho de banda nominal 11 Mbps
Tiempo de simulaciń
o 300s
Codificaciń del v´
o ıdeo MPEG-2 VBR
Tasa de v´ıdeo 150 Kbps
n a 1500 bytes
Esquema multicamino N=3 caminos
n 50 paquetes
Tr´fico CBR interferente
a 3 Mbps
PEPthreshold 0.6

UPC V´


Figura: Porcentaje de p´rdidas vs. velocidad de los nodos.
e

UPC V´


Figura: Porcentaje de p´rdidas [I, P, B] vs. velocidad de los nodos.
e

UPC V´


Figura: PEP vs. Trouting en ap-MMDSR.

UPC V´

o a Propuesta

Objetivos
Aumentar el rendimiento global de MMDSR modificando la
asignaciń de la ventana de contenciń (CW) en el acceso MAC.
o o
Se trabajar´ sobre IEEE 802.11e usando las cuatro categor´ de
a ıas
acceso (AC).
Modificar din´micamente los valores de CW en funciń del n´mero de
a o u
colisiones y de transmisiones exitosas consecutivas para cada una de
las AC.
Al modificar el comportamiento de CW, se pretende obtener una
respuesta diferente del sistema frente a situaciones de alto tr´fico.
a

UPC V´

o a Propuesta

Valores de IEEE 802.11e

CWmin CWmax
AC0 7 15
AC1 15 31
AC2 31 1023
AC3 31 1023
Cuadro: Valores de CW para cada AC en IEEE 802.11e.

standard CW [AC ] = (CW [AC ] + 1) · 2 − 1
Colisi´n
o

standard CW [AC ] = CWmin [AC ]
Transmisi´n exitosa
o

UPC V´

o a Propuesta

Modificaciń de IEEE 802.11e
o

CWmin CWmax
AC0 7 15
AC1 15 31
AC2 31 511
AC3 511 1023
Cuadro: Valores de CW modificados.

CWmax [AC ] − CWmin [AC ]
· Coll 2 + CWmin [AC ]
dynamic CW [AC ] =
62
Colisiń
o

CWmin [AC ] − CWmax [AC ]
· Nsucc 2 + CWmax [AC ]
dynamic CW [AC ] =
62
Transmisiń exitosa
o
UPC V´

o a Propuesta

Figura: Asignaciń Din´mica vs. Estńdar de CW segń se incrementa el n´mero
o a a u u
de colisiones consecutivas.

UPC V´

o a Propuesta

Figura: Asignaciń Din´mica vs. Estńdar de CW segń el n´mero de
o a a u u
transmisiones exitosas.

UPC V´

o a Propuesta

Figura: Ejemplo de asignaci´n de rangos de CW cuando han ocurrido 6 colisiones
o
consecutivas en AC[1].

UPC V´

ıa Principios b´sicos
a

Conocimientos previos
Teor´ de Juegos (TJ) intenta capturar matem´ticamente
ıa a
comportamientos en situaciones estrat´gicas.
e
TJ estudia las interacciones estrat´gicas entre los individuos que
e
juegan en situaciones llamadas juegos.
TJ puede ser usada como un conjunto de herramientas matem´ticas
a
para modelar la interacci´n entre jugadores que han de tomar
o
decisiones en distintas situaciones.

Objetivo
Aplicar TJ para ayudar en el dise˜o de servicios de video-streaming
n
que han de ofrecerse sobre redes inal´mbricas mejorando el
a
rendimiento de los mismos.

UPC V´

ıa Propuesta

Un juego estrat´gico G puede ser expresado con tres componentes
e
primarios:
El conjunto de jugadores N.
El espacio de acci´n A.
o
El conjunto de funciones de utilidad invididual.

G = N, A, {ui }

α−i = (α1 , . . . , αi−1 , αi+1 , . . . , αn )
Equilibrio Nash

Ui (αi∗ , α−i )
∗ ∗
≥ Ui (αi , α−i ) ∀αi ∈ ∆(Ai )

αi∗ ∈ BRi (α−i ) = arg maxαi ∈∆(Ai ) Ui (αi , α−i )
BR: Best Response

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ıa Posibles estrategias a aplicar sobre MMDSR

Figura: Estrategia ﬁja usada para compartir recursos.

UPC V´

ıa Posibles estrategias a aplicar sobre MMDSR

Figura: Cuatro posibles asignaciones aparecen al aplicar estrategias mezcladas.

UPC V´

ıa Aplicando TJ al encaminamiento

Figura: Estrategia de juego mixta para escoger un camino.

U1 (p, q) = p · q · 1 + p · (1 − q) · 3 + (1 − p) · q · 2 + (1 − p) · (1 − q) · 0
U2 (p, q) = q · p · 1 + q · (1 − p) · 3 + (1 − q) · p · 2 + (1 − q) · (1 − p) · 0

δU1 (p, q)
(q) = q + 3 · (1 − q) − 2 · q = 3 − 4 · q
δp
δU2 (p, q)
(p) = p + 3 · (1 − p) − 2 · p = 3 − 4 · p
δq

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ıa Aplicando TJ al encaminamiento

δU1 (p, q)
(qmax ) = 3 − 4 · q ≡ 0 → qmax = 0,75
δp

δU2 (p, q)
(pmax ) = 3 − 4 · p ≡ 0 → pmax = 0,75
δq
Estrategia: los usuarios 1 y 2 optar´n por el mejor camino con una probabilidad
a
del 75 %.

E [U1 (pmax , qmax )] = E [U2 (pmax , qmax ] = 1,5

La mejora esperada te´rica es de hasta un 50 %.
o

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ıa Resultados obtenidos

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Area 200x200m (s1), 500x500m (s2)
N´mero de nodos
u 50
Velocidad media de los nodos 0 m/s (s1), 2 m/s (s2)
Cobertura 40m (s1), 80m (s2)
o Random Waypoint
o IEEE 802.11e
o ıdeo MPEG-2 VBR
Video bit rate 150 Kbps
Fuentes de v´ıdeo 1 to 5
Protocolo de encaminamiento dg-MMDSR
n a 1500 bytes
Esquema multicamino K =3 paths (s1, s2)
Par´metros de peso
a 1/7
n 50 paquetes

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o RDSR-V

Caracter´
ısticas de RDSR-V (Reliable DSR for Video)
Esquema de encaminamiento basado en DSR.
Espec´
ıfico para video-streaming.
Simple y fćil de implementar (dispositivos sencillos, poca bater´
a ıa...).
Observaciones basadas en retroalimentaciń del servicio.
o
S´lo existen observaciones de primera mano.
o
Se recompensan y castigan acciones con tal de animar a un nodo a
colaborar en la red.
Se considera s´lo comportamiento ego´ en el reenv´
o ısta ıo.

M´dulos de los sistemas de reputaciń
o o
M´dulo de monitorizaciń.
o o
M´dulo de clasificaciń.
o o
M´dulo de toma de decisiones.
o

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o RDSR-V

Figura: RDSR-V tiene en cuenta el da˜o causado por nodos maliciosos.
n

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o RDSR-V

Funcionamiento de RDSR-V
Se monitorizan las p´rdidas del camino utilizado.
e
Se actualiza el FPL (Fraction Packet Lost) de cada nodo de ese
camino una vez recibido RTCP-RR (Real Time Control Protocol -
Receiver Report).
Con FPL obtenemos RFV (Reputation Forwarding Value) y si ´ste se
e
sitá por debajo de lo permisible, se le aãde una condena al nodo.
u n
Si es la primera, tendr´ una duraciń T . Si es la segunda, 2T .
a o
A la tercera condena es expulsado definitivamente de la red.
A los nodos que cooperen activamente, se les recompensar´ con alta
a
prioridad para sus paquetes.

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o RDSR-V

RFV (Reputation Forwarding Value)
MOS (Mean Opinion Score)
PSNR (Peak Signal to Noise Ratio)
FPL (Fraction Packet Lost)

RFV MOS PSNR FPL
0,8 ≤ RFV < 1 PSNR ≥ 30dB
5, 4 FPL < 2 %
0,5 ≤ RFV < 0,8 28dB ≤ PSNR < 30dB 2 % ≤ FPL < 6 %
3
0,2 ≤ RFV < 0,5 26dB ≤ PSNR < 28dB 6 % ≤ FPL < 10 %
2
0 ≤ RFV < 0,2 FPL ≥ 10 %
1, 0 PSNR < 26dB
i i
RFVpath,k = f (FPLik ) = e −λ·(FPLk ) = e −14·(FPLk )
i

i i
RFVsample,j = RFVpath,k , 1 ≤ j ≤ Nk

α α
) · RFVji−1 +
RFVji = (1 − i
· RFVsample,j , 1 ≤ j ≤ Nk (∗)
Nk Nk

RFVpath,k = min(RFVji ), 1 ≤ j ≤ Nk
i

(*) EWMA (Exponential Weighting Moving Average)
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o Resultados obtenidos

Area 400x400m
N´mero de nodos
u 20
N´mero de nodos malicios
u 1 (15 % p´rdidas)
e
Fuentes de v´ıdeo 1, 2
Velocidad de los nodos hasta 10 m/s
Cobertura 80m
o Random Waypoint
o ıdeo MPEG-2
o IEEE 802.11e
Valor RFV inicial 0.5
(α) 0,25
Periodo RTCP-RR 5s
Primera condena (T ) 25 s
M´ximo n´mero de condenas permitidas
a u 3

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Simulador utilizado e implementaciones desarrolladas Implementaciones

Implementaciones

Simulador de c´digo abierto Network Simulator 2 (ns-2).
o
Protocolo RTP/RTCP para ns-2: se ha desarrollado un nuevo
agente de protocolo para el simulador ns-2 con las funcionalidades del
protocolo RTP/RTCP siguiendo las l´ ıneas de diseõ de su RFC
n
(Request For Comments) RFC-3550.
Transmisor/Receptor de MPEG-2 para ns-2: se ha trabajado y
modificado una implementaciń de aplicaciones para ns-2 capaces de
o
enviar/recibir ficheros de v´
ıdeo reales MPEG-2 en simulaciones.
Implementaciń de los protocolos MMDSR: s-MMDSR, a-MMDSR,
o
ap-MMDSR, dg-MMDSR.
Implementaciń del protocolo RDSR-V.
o
Implementaciń necesaria para llevar a cabo el c´lculo de PSNR.
o a

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Simulador utilizado e implementaciones desarrolladas Implementaciones

Disponibilidad del c´digo fuente
o

El c´digo desarrollado en esta tesis ha sido publicado bajo licencia GNU
o
GPL (General Public License)1 , lo cual implica que puede ser libremente
distribuido para uso propio. El c´digo fuente completo est´ disponible en:
o a

http://sertel.upc.es/∼vcarrascal/ns2/

1
Multipath Multimedia Dynamic Source Routing (MMDSR), V´ ıctor Carrascal Fr´
ıas,
http://sertel.upc.es/∼vcarrascal/ns2/, Telematic Services Research Group. Technical
University of Catalonia, Spain.
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Conclusiones y l´
ıneas futuras

Conclusiones de la Tesis

Desarrollo de MMDSR (Multipath Multimedia Dynamic Source
Routing ): basado en DSR, utiliza tćnicas multicamino y de capa
e
cruzada.
Espec´
ıfico para aplicaciones de streaming de v´
ıdeo.
Se han diseãdo par´metros espec´
n a ıficos de QoS (RM, MM) y
paquetes especiales de control (PM, HM).
Se soportan m´ltiples fuentes de v´
u ıdeo simultńeamente.
a
a-MMDSR (adaptive-MMDSR): rangos de los par´metros y
a
per´
ıodo del algoritmo adaptativos.

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Conclusiones y l´
ıneas futuras

Conclusiones de la Tesis

ap-MMDSR (adaptive and Path Error Probability -MMDSR): los
instantes de refresco de las rutas son estimados proactivamente
decrementando as´ la seãlizaciń introducida en la red.
ı n o
dg-MMDSR (dynamic CW game-theoretic MMDSR): c´lculo
a
din´mico de la ventana de contenciń para cada una de las
a o
categor´ de acceso en IEEE 802.11e.
ıas
dg-MMDSR: nuevo esquema de encaminamiento basado en
Teor´ de Juegos compartiendo los recursos entre nodos
ıa
competidores que buscan incrementar sus propios beneficios,
logrńdose un beneficio comń.
a u
RDSR-V (Reliable Dynamic Source Routing for Video): un
protocolo capaz de detectar nodos maliciosos, evitarlos y
expulsarlos de la red si persisten en su mal comportamiento.

UPC V´

Conclusiones y l´
ıneas futuras L´
ıneas futuras

L´
ıneas futuras

Realizar un estudio exhaustivo de todas las opciones de diseõ de las
n
arquitecturas desarrolladas en sus m´ltiples versiones. Posteriormente
u
se podr´ implementar en un sistema de pruebas real.
ıa
Trasladar las tćnicas implementadas a redes hetereogńeas.
e e
Estudiar la aplicabilidad de las propuestas a servicios de
video-streaming sobre redes P2P (p.ej, P2PTV).
Extender el sistema hacia nuevos entornos de similares caracter´
ısticas,
como puedan ser VANETs o WSN.
Incluir nuevos estńdars MAC: IEEE 802.11n trabaja con antenas
a
MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) y tasas de transmisiń de
o
hasta 600 Mbit/s.

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Publicaciones Revistas internacionales

Publicaciones

Revistas internacionales
Carrascal Fr´ V., Mu˜oz, J.L., Esparza, O., Aguilar Igartua, M., Forn´, J.,
ıas n e
RDSR-V. Reliable Dynamic Source Routing for Video-Streaming over Mobile Ad
Hoc Networks”, Elsevier Computer Networks 2008,
http://www.elsevier.com/locate/comnet. Submitted, under evaluation.
Carrascal Fr´ V., D´ Delgado G., Zavala Ayala A., Aguilar Igartua, M.,
ıas ıaz
”MM-DSR: Encaminamiento multicamino con QoS para m´ltiples fuentes
u
multimedia sobre redes m´viles Ad Hoc (MM-DSR: Multipath QoS Routing for
o
multiple Multimedia Sources over Ad Hoc Mobile Networks)”. IEEE Latin America
Transactions (Revista IEEE Am´rica Latina), vol 5, no 6, pp 448-456, 2007.
e
ISSN/ISBN 1548-0992.
D´ Delgado, G., Carrascal Fr´ V., Aguilar Igartua, M., C
ıaz ıas, ¸ross-Layer
Optimization for Video-Streaming Transmission with QoS over Ad Hoc Networks:
A Holistic Approach”. Journal of Communications Software and Systems
(JCOMSS): Special issue on Cross-Layer Design for QoS Support in Wireless and
Hybrid Networks, vol 3, no 3, 2007. ISSN/ISBN 1845-6421.

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Publicaciones Conferencias Internacionales

Publicaciones

Conferencias Internacionales
Carrascal Fr´ V., Zavala Ayala, A., D´ Delgado, G., Aguilar Igartua, M.,
ıas, ıaz
”Dynamic Cross-Layer Framework to provide QoS for Video-Streaming Services
over Ad Hoc Networks”. Fifth International ICST Conference on Heterogeneous
Networking for Quality, Reliability, Security and Robustness, ICST QShine 2008,
July 2008. ISBN 978-963-9799-26-4. Hong Kong, China.
Carrascal Fr´ V., D´ Delgado, G., Aguilar Igartua, M., ”Multipath Routing for
ıas, ıaz
Video-Streaming Services over IEEE 802.11e Ad Hoc Networks”. 14th International
Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM
2006), September 2006. ISBN 953-6114-87-9. Split - Dubrovnik, Croatia.
Carrascal Fr´ V., D´ Delgado, G., Aguilar Igartua, M., ”Multipath Routing
ıas, ıaz
with Layered Coded Video to Provide QoS for Video-Streaming Applications over
MANETS”. 14th IEEE International Conference on Communication Networks
(ICON 2006), September 2006, pp 167-172. ISSN: 1556-6463, ISBN
0-7803-9746-0. Singapore.

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Publicaciones Conferencias Internacionales

Publicaciones

Conferencias Internacionales
D´ Delgado, G., Carrascal Fr´ V., Aguilar Igartua, M., ”Video-Streaming
ıaz ıas,
Transmission with QoS over Cross-Layered Ad Hoc Networks”. 14th International
Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM
2006). Best Student Paper Award, September 2006. ISBN 953-6114-87-9. Split -
Dubrovnik, Croatia.
D´ Delgado, G., Carrascal Fr´ V., Aguilar Igartua, M., ”ViStA-XL: A
ıaz ıas,
Cross-Layer Design for Video-Streaming over Ad Hoc Networks”. 3rd. International
Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS 2006), September
2006. ISBN 1-4244-00398-7. Valencia, Spain.
Carrascal Fr´ V., D´ Delgado, G., Aguilar Igartua, M., Alins Delgado J., Mata
ıas, ıaz
D´ J.. ”QoS Provision for Video-Streaming Applications over Ad Hoc Networks”.
ıaz
EUROCON 2005, November 2005, pp 640-643. ISBN 1-4244-0049-X. Belgrado,
Serbia & Montenegro.

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Publicaciones Conferencias Nacionales

Publicaciones

Conferencias Nacionales
Carrascal Fr´ V., D´ Delgado, G., Zavala Ayala, A., Aguilar Igartua, M.,
ıas, ıaz
”MM-DSR: Encaminamiento multicamino con QoS para m´ltiples fuentes
u
multimedia sobre redes m´viles Ad Hoc”. VI Jornadas de Ingenier´ Telem´tica,
o ıa a
JITEL 2007, September 2007, pp 105-112. ISBN 978-84-690-6670-6. M´laga,
a
Spain.
Zavala Ayala, A., Carrascal Fr´ V., D´ Delgado, G., Aguilar Igartua, M.,
ıas, ıaz
”Modelo Anal´ ıtico para el diseõ de servicios video-streaming sobre redes MANET
n
con QoS”. VI Jornadas de Ingenier´ Telem´tica, JITEL 2007, September 2007,
ıa a
pp 121-128. ISBN 978-84-690-6670-6. M´laga, Spain.
a
D´ Delgado, G., Carrascal Fr´ V., Aguilar Igartua, M., ”ViStA-XL: Diseõ
ıaz ıas, n
cross-layer para video-streaming con QoS en redes m´viles Ad Hoc”. XXI
o
Simposium Nacional de la Uniń Cient´
o ıfica Internacional de Radio (URSI 2006),
September 2006, pp 294-297. ISBN 84-611-2488-X. Oviedo, Spain.

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Publicaciones Reportes Internos

Publicaciones

Reportes Internos
Carrascal Fr´ V., Aguilar Igartua, M., ”Dynamic Multipath Routing using Path
ıas
Lifetime to improve Performance of Multimedia Applications over Ad Hoc
Networks”. Technical Report RI-2008 Car, 1400711220, November 2008.
Carrascal Fr´ V., Aguilar Igartua, M., ”Dynamic Framework using Adaptive
ıas
Contention Window and Game-Theoretic Multipath Routing for Video-Streaming
Services over IEEE 802.11e MANETs”, Technical Report RI-2008 Car,
1400711221, November 2008.
Carrascal Fr´ V., Mu˜oz, J.L., Esparza, O., Aguilar, M., Forn´, J., RDSR-V:
ıas n e
Reliable Dynamic Source Routing for Video-Streaming over Mobile Ad Hoc
Networks”, Technical Report RI-2008 Car, 1400711222, December 2008.

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Tesis Doctoral

Contribuciń para proveer Calidad de Servicio sobre
o
redes m´viles Ad Hoc en servicios de streaming de v´
o ıdeo
basada en una arquitectura adaptativa con diseõ
n
transversal entre capas

Autor: V´
ıctor Carrascal Fr´
ıas

Dra. de Tesis: Mńica Aguilar Igartua
o

Departamento de Ingenier´ Telem´tica
ıa a
Universidad Politćnica de Cataluã
e n
Marzo 2009

http://sertel.upc.es

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Contribution to provide QoS over Mobile Ad Hoc Networks for Video-Streaming Services based on Adaptive Cross-Layer Architecture

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