contribution to provide qos over mobile ad hoc networks for video-streaming services based on...

Tesis Doctoral

Contribucion para proveer Calidad de Servicio sobreredes moviles Ad Hoc en servicios de streaming de vıdeo

basada en una arquitectura adaptativa con disenotransversal entre capas

Autor: Vıctor Carrascal Frıas

Dra. de Tesis: Monica Aguilar Igartua

Departamento de Ingenierıa TelematicaUniversidad Politecnica de Cataluna

Marzo 2009

http://sertel.upc.es

UPC Vıctor Carrascal - [email protected] Marzo 2009 1 / 78

Contenido de la presentacion

1 Redes IEEE 802.11

2 Redes inalambricas Ad Hoc IEEE 802.11

3 Vıdeo bajo demanda (VoD)

4 MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing

5 Probabilidad de error del camino

6 Ventana de contencion dinamica

7 Teorıa de juegos aplicada al encaminamiento

8 Reputacion de los nodos en redes MANET

9 Simulador utilizado e implementaciones desarrolladas

10 Conclusiones y lıneas futuras

11 Publicaciones



1 Redes IEEE 802.11










11 Publicaciones

Redes IEEE 802.11 Introduccion

Figura: Ancho de banda vs. cobertura de diferentes tecnologıas inalambricas.

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)


Redes IEEE 802.11 Caracterısticas

Redes IEEE 802.11

IEEE 802.11 es un conjunto de estandares para las redes inalambricasde area local (WLAN).

Opera sobre los 2.4 y 5 GHz.

La primera version (famılia 802.11) nacio en 1997, operando sobre los2.4 GHz con velocidades de transmision de 1 y 2 Mbit/s.

Con el tiempo han surgido extensiones al estandar, siendo IEEE802.11b una de las que ha alcanzado mayor repercusion entre losusuarios.


Redes IEEE 802.11 Caracterısticas

Mecanismos de acceso al medio

Point Coordination Function (PCF): en este caso el acceso es centralizado, ytodas las peticiones pasaran previamente por un nodo central llamado Puntode Acceso (Access Point, AP).

Distributed Coordination Function (DCF): usa CSMA/CA (Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance) para acceder al canal en redesdescentralizadas.

Extensiones del estandar 802.11

IEEE 802.11: estandar original.

IEEE 802.11b: tasas de transmision incrementadas, 5.5 y 11 Mbit/s.

IEEE 802.11a: 54 Mbit/s, 5 GHz.

IEEE 802.11g: mejora y mayor compatibilidad de 802.11b.

IEEE 802.11i: extension centrada en la seguridad.

IEEE 802.11e: mejora de la calidad de servicio.


Redes IEEE 802.11 802.11e: enfocado a QoS

Extension IEEE 802.11e

Mejora DCF y PCF ofreciendo HCF (Hybrid Coordination Function).

HCF define dos nuevos mecanismos de acceso: Enhanced DistributedChannel Access (EDCA) y Hybrid Coordination Function Controlled ChannelAccess (HCCA).

Ofrece cuatro categorıas de acceso con diferentes prioridades, controlandocada una de ellas sus propios parametros de acceso al medio y cola.


Redes IEEE 802.11 802.11e: enfocado a QoS

Extension IEEE 802.11e

Ventana de contencion (CW, Contention Window): numero aleatorioescogido dentro de un rango determinado (diferente para cada AC)con el que se ejecuta el mecanismo de backoff ).

TXOP limit: maximo tiempo para transmision consecutiva de un nododesde que ha conseguido el derecho a transmitir.

AIFS (Arbitration InterFrame Space): numero maximo deretransmisiones consecutivas permitidas.

Access Category CWmin CWmax AIFS TXOPLimitAC 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 parametros AC en IEEE 802.11e.



1 Redes IEEE 802.11










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Redes inalambricas Ad Hoc IEEE 802.11 Clasificacion de las redes Ad Hoc

Clasificacion de las redes Ad Hoc

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 PerChild project (OLPC)

(c) VANETs (d) Red MANETUPC Vıctor Carrascal - [email protected] Marzo 2009 8 / 78

Redes inalambricas Ad Hoc IEEE 802.11 Clasificacion de las redes Ad Hoc

Redes mobiles Ad Hoc (MANETs)

MANETs (Mobile Ad Hoc NETworks) son redes creadas parasolucionar comunicaciones en entornos de difıcil o imposibleinstalacion de infraestructura.

Carecen de infraestructura fija siendo los propios dispositivos los queforman la red.

Se crean espontaneamente por los dispositivos.

Aplicaciones de las MANET

Entorno civil.

Areas de desastre.

Aplicaciones tacticas y gubernamentales.

Misiones de exploracion.

Compartir informacion.


Redes inalambricas Ad Hoc IEEE 802.11 Caracterısticas de las redes MANET

Caracterısticas de las redes MANET

Administracion distribuida.

Topologıa dinamica.

Capacidad variable de los enlaces.

Duracion limitada de las baterıas.

Puntos de especial interes en cuanto a su estudio

Encaminamiento.

Eficiencia.

Calidad de Servicio.

Consumo de energıa.

Robustez y seguridad.


Redes inalambricas Ad Hoc IEEE 802.11 Protocolo DSR

Protocolo DSR (Dynamic Source Routing)

Simple y eficiente, operando completamente bajo demanda.

Usa mecanismos RREQ/RERR (Route Request / Route Error), consenalizacion reducida.

Sin broadcasts periodicos.

Alta latencia al buscar nuevas rutas.

No apropiado para redes grandes (> 250 nodos).

(a) (b)





Usa mecanismos RREQ/RERR (Route Request / Route Error), conoverhead reducido.




(c) (d)





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






1 Redes IEEE 802.11










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Vıdeo bajo demanda (VoD)

Plataformas de vıdeo

Formatos de vıdeo

Adobe Flash

Windows Media

RealMedia

MPEG

Quicktime

Metodos de transmision

Descarga

Descarga progresiva

Streaming



Formato MPEG

MPEG (Moving Picture Experts Group) es un metodo estandar paratransmitir vıdeo y audio digital en formato comprimido usando menor anchode banda que con el tradicional metodo analogico.

MPEG-2 VBR (Variable Bit Rate) esta formado por tres tipos de marcos: I(Intra-coded), P (Predictive-coded), B (Bidirectionally-predictive-coded).

Los marcos [I,P,B] se agrupan entre sı para formar un GoP (Group OfPictures), existiendo una determinada interrelacion entre ellos.

Relevancia en la decodificacion: I > P > B.



Protocolo de Transporte

Para transportar el vıdeo hemos utilizado UDP (User DatagramProtocol) sobre RTP/RTCP (Real Time Protocol/Real TimeControl Protocol).

RTP incluye ciertas funcionalidades QoS.

Se monitorizan parametros de la conexion establecida mediante envıosperiodicos de paquetes de control RTCP-RR (Receiver Report).

Parametros monitorizados: retardo, variacion del retardo (delayjitter), porcentaje total y parcial de paquetes perdidos, numerode secuencia mas alto recibido.



1 Redes IEEE 802.11










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MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Diseno

MMDSR: Arquitectura propuesta

Propuesta de protocolo de encaminamiento

MMDSR (Multipath Multimedia Dynamic Source Routing protocol)es un protocolo de capa cruzada especıfico para servicios de streamingde vıdeo con capacidad de encaminamiento multicamino.

Se ha partido del protocolo DSR como motor de encaminamiento.

Monitorizacion del estado de la red mediante envıos periodicos demensajes de control.

Calculo dinamico de parametros de QoS sobre los caminos disponibles.

Periodo adaptativo del algoritmo de encaminamiento.




Que beneficios obtenemos

Un protocolo capaz de proveer QoS a multiples fuentes de vıdeotransmitiendo simultaneamente en la misma red Ad Hoc, incluso ensituaciones con alta carga de trafico.

Al utilizar tecnicas multicamino se balancea la carga, incrementandola robustez de la transmision y reduciendo el retardo extremo aextremo.

Un sistema que es capaz de tratar a los paquetes con diferentesprioridades dependiendo de su relevancia con respecto al flujo devıdeo.




En los primeros trabajos se demostro que no valıa la pena mantener mas detres caminos simultaneamente al usar tecnicas multicamino.

Los marcos tipo I se envıan a traves del mejor camino disponible, los tipo Pa traves del segundo mejor camino disponible y los B a traves del tercero.

PQ (Priority Queue)FIFO (First In First Out)

BE (Best Effort)




En IEEE 802.11e se trabaja con un sistema de colas de cuatroprioridades en el nivel de acceso MAC (Medium Access Control)

Los marcos mas relevantes para el esquema de decodificacion de vıdeotienen una prioridad mas alta sobre los otros.

Colas de paquetes (AC0 a AC3)

AC0: senalizacion MMDSR.

AC1: paquetes de alta prioridad (marcos I).

AC2: paquetes de prioridad media (marcos P).

AC3: paquetes de baja prioridad (marcos B + Best Effort).


MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Operatividad

Funcionamiento del protocolo MMDSR

1 MMDSR descubre periodicamente los caminos disponibles entre los nodosfuente y destino, usando el motor de encaminamiento del protocolo DSR.

2 Un mensaje sonda (Probe Message (PM)) es enviado a traves de cada unode los caminos descubiertos. Los nodos intermedios actualizan lainformacion contenida en el PM respecto a la calidad del enlace.

3 En el destino se genera un paquete respuesta al paquete sonda y se envıa devuelta a la fuente por cada uno de los caminos disponibles.

4 Se procesa la informacion, asignando una calificacion a cada camino.

5 Los caminos se clasifican siguiendo un patron establecido. Se utilizaran hastala proxima iteracion del algoritmo.



Funcionamiento del protocolo MMDSR

Los parametros calculados para cada uno de los caminos disponibles se recogenen un vector denominado path-state:

path − state ik ≡ {RM,MM, p, d , j ,BWe, h}i

k

donde i es el numero de iteracion del algoritmo y k se refiere a cada uno de loscaminos seleccionados K (con K ≤ D).

Metrica de fiabilidad (Reliability Metric (RM)) RM ik

Metrica de movilidad (Mobility Metric (MM)) MM ik

Porcentaje de perdidas pik

Retardo d ik

Retardo entre paquetes (delay jitter) j ik

Ancho de banda disponible extremo a extremo BWe ik

Numero de saltos hik



Mensajes Hola (Hello Messages, HM)

Los mensajes Hola (Hello Messages, (HM))) ayudan a calcular ReliabilityMetric (RM) y Mobility Metric (MM).

Los HM se envıan cada segundo por nodos que pertenecen a un caminoimplicado en una transmision de vıdeo.

Una vez que un HM es recibido, el nodo receptor calcula la SINR(Signal-to-Interference plus Noise Ratio) referente al paquete recibido yadjunta este valor en un paquete Hola Respuesta (Hello Message Reply,HMR), el cual se envıa de vuelta a la fuente del HM.


MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Calculo de parametros de QoS

Metrica de Fiabilidad, (Reliability Metric) RM ik

If SINRk,ij ≥ 25dB, then xk,i

j = 3

If 15dB ≤ SINRk,ij < 25dB, then xk,i

j = 2

If 10dB ≤ SINRk,ij < 15dB, then xk,i

j = 1

If SINRk,ij < 10dB, then xk,i

j = 0

RMkmean =

Lik

vuuutj=Lik−1Y

j=1

xk,ij

If (RMkmean > 2 · f i−1

RM ) then RM ik = 3

If ( 1,5 · f i−1RM ) < RMk

mean ≤ 2 · f i−1RM ) then RM i

k = 2

If ( 1 · f i−1RM < RMk

mean ≤ 1,5 · f i−1RM ) then RM i

k = 1

If (RMkmean ≤ 1 · f i−1

RM ) then RM ik = 0



Metrica de Movilidad, (Mobility Metric) MM ik

M iX = E

24 10log10RxPr i

Y→X

RxPr i−1Y→X

!235

If ( M iX < 0,02 · f i−1

MM ) then MMk,ij = 3

If ( 0,02 · f i−1MM ≤ M i

X < 0,08 · f i−1MM ) then MMk,i

j = 2

If ( 0,08 · f i−1MM ≤ M i

X < 0,5 · f i−1MM ) then MMk,i

j = 1

If ( M iX ≥ 0,5 · f i−1

MM ) then MMk,ij = 0

MM ik =

Pj=Lik−1

j=1 MMk,ij

Lik



Asignacion de pik (perdidas), di

k (retardo) y jik (jitter) :

If ( v iX < 0,4 · f i−1

pdj · vMAX ) Mvk,i = 2

If ( 0,4 · f i−1pdj · vMAX ≤ v i

X < 0,8 · f i−1pdj · vMAX ) Mvk,i = 1

If ( v iX > 0,8 · f i−1

pdj · vMAX ) Mvk,i = 0

Asignacion de BWik (ancho de banda extremo a extremo) :

If ( BWe ik > 1,2 · f i−1

BW · BWmin) MBW k,ij = 2

If ( f i−1BW · BWmin ≤ BWe i

k ≤ 1,2 · f i−1BW · BWmin) MBW k,i

j = 1

If ( BWe ik < ·f

i−1BW · BWmin MBW k,i

j = 0

Asignacion de Hik (numero de saltos del camino) :

If himin ≤ hi

k < Bi , then Mhik = 2

If Bi ≤ hik ≤ Ai , then Mhi

k = 1

If Ai < hik ≤ hi

max , then Mhik = 0


MMDSR: Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Clasificacion de los caminos

Clasificacion de los caminos

Una vez que los caminos han sido seleccionados y calificados, MMDSR los ordenasegun este algoritmo:

Orden de clasificacion:

1 RM ik + MM i

k

2 Mhik

3 MBW ik

4 Mpik + Mj i

k

5 Md ik

Entre las muchas opciones posibles para configurar esta lista, hemos escogido RMy MM como los parametros mas importantes de cara a clasificar los caminos.

En los servicios de video-streaming los caminos mas fiables y estables sonpreferidos. Retardo, jitter y perdidas no son metricas tan determinantes.


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

Introduciendo adaptacion en MMDSR

Sin adaptacion: en situaciones de alto trafico todos los caminosobtienen valores bajos en sus calificaciones, dificultando su distincion.

Si el periodo del algoritmo es fijo: la cantidad de trafico generado porsenalizacion es la misma tanto en situaciones de poco trafico como dealta carga.

Con adaptacion: se aplica un factor de correccion para ajustardinamicamente los rangos para asignar calificaciones.

Se produce menos trafico de senalizacion en situaciones estables,mientras que en situaciones de alta movilidad se necesitan caminosnuevos mas frecuentemente (la topologıa cambia mas rapido).


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 ·Mpi + wd ·Md i + wj ·Mj i + wh ·Mhi

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

f i+1RM = 0,4 · NState i + 0,6

f i+1MM = −0,6 · NState i + 2

f i+1pdj = −0,4 · NState i + 1,5

f i+1BW = 0,12 · NState i + 0,9

MMDSR iperiod = 10 · NState i + 3


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

Resultados con static-MMDSR (s-MMDSR)

Area 500x500 mNumero de nodos 20Vel. max. nodos 5m/sCobertura 70mPatron de movimiento Random WaypointEspecificacion MAC IEEE 802.11bAncho de banda 11 MbpsTiempo de simulacion 100sCodificacion de vıdeo MPEG-2 VBR (Blade Runner)Tasa del vıdeo 1.6 MbpsProtocolo de transporte RTP/RTCP/UDPTamano maximo de paquete 1500 bytesTamano de las colas 80 paquetesFuentes de vıdeo 5Ruido del canal -92 dBmMultiples rutas De 1 a 3


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


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

Resultados con adaptive-MMDSR (a-MMDSR)

Area 400x400 mNumero de nodos 80Vel. max. nodos 10m/sCobertura 70mPatron de movimiento Random WaypointEspecificacion MAC IEEE 802.11bAncho de banda 11 MbpsTiempo de simulacion 250sCodificacion de vıdeo MPEG-2 VBRTasa del vıdeo 150 KbpsTamano maximo de paquete 1500 bytesEsquema multicamino N=3Tamano de cola 80 packetswx 1/7Tasa del trafico CBR interferente 150 KbpsRuido del canal -92 dBm



Figura: Evolucion de perdidas de paquete para DSR, s-MMDSR y a-MMDSR.



Figura: Evolucion de PSNR para DSR, s-MMDSR y a-MMDSR.



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

DSR 0.4 %

s-MMDSR 6.5 %

a-MMDSR 5.2 %

Cuadro: Senalizacion introducida.



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Probabilidad de error del camino Objetivos

Crear un modelo analıtico capaz de estimar el tiempo de vida de las rutas:

1 Modelar el movimiento de los nodos en una MANET.

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

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

4 Estimar el tiempo de vida de las rutas.

(a) Area de la red AdHoc.

(b) Random Waypoint Mobility Model (RWMM).


Probabilidad de error del camino Longitud media de los intervalos

Longitud media de la secuencia de los intervalos en una MANET:

fd (d) =

8>>>>>>>><>>>>>>>>:

2dW 2

“π − 4d

W+ d2

W 2

”0 ≤ d ≤W

2dW 2 2 · arcsen W

d− 2 · arccos W

d+

4√

d2−W 2−WW

− W 2+d2

W 2 W < d ≤√

2 ·W

0√

2 ·W < d

[L.E. Miller, 2001]

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


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

LEP(x) =

∫ x

0p(d > y) · pdfd (y) · dy =

∫ x

0(1− p(d ≤ y)) · pdfd (y) · dy =

=

∫ x

0(1− CDFd (y)) · pdfd (y) · dy , 0 ≤ x ≤ r

——————

p(d 6 x) ∼= CDFgaussian(x) =1

2

„1 + erf

„x − µ√

2σ

««=

=1

2

0B@1 +2√π

∞Xn=0

(−1)n“

x−µ√2σ

”2n+1

n!(2n + 1)

1CA , 0 6 x 6 r

——————

LEP(r , µ, t) ≈ 1− e−µ·t

r , 0 ≤ t ≤ r

µ



PEP(N,W , r , µ, t) = 1−HX

i=1

(1− LEP(r , µ, t))i · p(i hops)

H = min

„N − 1, b

√2 ·W

rc«

p(i hops) =

Z i·r

(i−1)·rfd (x) · dx

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

N=50 nodos, W=500m, r=120m

PEPthreshold = 0,6 = 1− (e−µ·Trouting

120 · 0,1457 + e−µ·Trouting

60 · 0,3097+

+e−µ·Trouting

40 · 0,3122 + e−µ·Trouting

30 · 0,1930)



Figura: PEP, analisis vs. simulacion. r=120m, W =500m, H=4 hops.

µ (m/s) Analisis Trouting (s) Simulacion Trouting (s)1 43.77 532 21.85 25.983 14.58 16.664 10.96 12.85 8.79 10.5


Probabilidad de error del camino Resultados obtenidos

Area 500x500 mNumero de nodos 50Velocidad media 1, 2, 3, 4, 5 m/sCobertura 120mPatron de movilidad Random WaypointEspecificacion MAC IEEE 802.11eAncho de banda nominal 11 MbpsTiempo de simulacion 300sCodificacion del vıdeo MPEG-2 VBRTasa de vıdeo 150 KbpsProtocolo de transporte RTP/RTCP/UDPTamano maximo de paquete 1500 bytesEsquema multicamino N=3 caminosTamano de las colas 50 paquetesTrafico CBR interferente 3 MbpsRuido del canal -92 dBmPEPthreshold 0.6



Figura: Porcentaje de perdidas vs. velocidad de los nodos.



Figura: Porcentaje de perdidas [I, P, B] vs. velocidad de los nodos.



Figura: PEP vs. Trouting en ap-MMDSR.



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Ventana de contencion dinamica Propuesta

Objetivos

Aumentar el rendimiento global de MMDSR modificando laasignacion de la ventana de contencion (CW) en el acceso MAC.

Se trabajara sobre IEEE 802.11e usando las cuatro categorıas deacceso (AC).

Modificar dinamicamente los valores de CW en funcion del numero decolisiones y de transmisiones exitosas consecutivas para cada una delas AC.

Al modificar el comportamiento de CW, se pretende obtener unarespuesta diferente del sistema frente a situaciones de alto trafico.



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

Colision

standard CW [AC ] = CWmin[AC ]

Transmision exitosa



Modificacion de IEEE 802.11e

CWmin CWmax

AC0 7 15

AC1 15 31

AC2 31 511AC3 511 1023

Cuadro: Valores de CW modificados.

dynamic CW [AC ] =CWmax [AC ]− CWmin[AC ]

62· Coll2 + CWmin[AC ]

Colision

dynamic CW [AC ] =CWmin[AC ]− CWmax [AC ]

62· Nsucc2 + CWmax [AC ]

Transmision exitosa



Figura: Asignacion Dinamica vs. Estandar de CW segun se incrementa el numerode colisiones consecutivas.



Figura: Asignacion Dinamica vs. Estandar de CW segun el numero detransmisiones exitosas.



Figura: Ejemplo de asignacion de rangos de CW cuando han ocurrido 6 colisionesconsecutivas en AC[1].



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Teorıa de juegos aplicada al encaminamiento Principios basicos

Conocimientos previos

Teorıa de Juegos (TJ) intenta capturar matematicamentecomportamientos en situaciones estrategicas.

TJ estudia las interacciones estrategicas entre los individuos quejuegan en situaciones llamadas juegos.

TJ puede ser usada como un conjunto de herramientas matematicaspara modelar la interaccion entre jugadores que han de tomardecisiones en distintas situaciones.

Objetivo

Aplicar TJ para ayudar en el diseno de servicios de video-streamingque han de ofrecerse sobre redes inalambricas mejorando elrendimiento de los mismos.


Teorıa de juegos aplicada al encaminamiento Propuesta

Un juego estrategico G puede ser expresado con tres componentesprimarios:

El conjunto de jugadores N.

El espacio de accion A.

El conjunto de funciones de utilidad invididual.

G = 〈N,A, {ui}〉

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

Equilibrio Nash

Ui (α∗i , α∗−i ) ≥ Ui (αi , α

∗−i ) ∀αi ∈ ∆(Ai )

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

BR: Best Response


Teorıa de juegos aplicada al encaminamiento Posibles estrategias a aplicar sobre MMDSR

Figura: Estrategia fija usada para compartir recursos.


Teorıa de juegos aplicada al encaminamiento Posibles estrategias a aplicar sobre MMDSR

Figura: Cuatro posibles asignaciones aparecen al aplicar estrategias mezcladas.


Teorıa de juegos aplicada al encaminamiento 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) · 0U2(p, q) = q · p · 1 + q · (1− p) · 3 + (1− q) · p · 2 + (1− q) · (1− p) · 0

δU1(p, q)

δp(q) = q + 3 · (1− q)− 2 · q = 3− 4 · q

δU2(p, q)

δq(p) = p + 3 · (1− p)− 2 · p = 3− 4 · p


Teorıa de juegos aplicada al encaminamiento Aplicando TJ al encaminamiento

δU1(p, q)

δp(qmax ) = 3− 4 · q ≡ 0→ qmax = 0,75

δU2(p, q)

δq(pmax ) = 3− 4 · p ≡ 0→ pmax = 0,75

Estrategia: los usuarios 1 y 2 optaran por el mejor camino con una probabilidad

del 75 %.

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

La mejora esperada teorica es de hasta un 50 %.


Teorıa de juegos aplicada al encaminamiento Resultados obtenidos



Area 200x200m (s1), 500x500m (s2)Numero de nodos 50Velocidad media de los nodos 0 m/s (s1), 2 m/s (s2)Cobertura 40m (s1), 80m (s2)Patron de movilidad Random WaypointEspecificacion MAC IEEE 802.11eAncho de banda nominal 11 MbpsTiempo de simulacion 200sCodificacion de vıdeo MPEG-2 VBRVideo bit rate 150 KbpsFuentes de vıdeo 1 to 5Protocolo de encaminamiento dg-MMDSRProtocolo de transporte RTP/RTCP/UDPTamano maximo de paquete 1500 bytesEsquema multicamino K =3 paths (s1, s2)Parametros de peso 1/7Tamano de las colas 50 paquetes



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Reputacion de los nodos en redes MANET RDSR-V

Caracterısticas de RDSR-V (Reliable DSR for Video)

Esquema de encaminamiento basado en DSR.

Especıfico para video-streaming.

Simple y facil de implementar (dispositivos sencillos, poca baterıa...).

Observaciones basadas en retroalimentacion del servicio.

Solo existen observaciones de primera mano.

Se recompensan y castigan acciones con tal de animar a un nodo acolaborar en la red.

Se considera solo comportamiento egoısta en el reenvıo.

Modulos de los sistemas de reputacion

Modulo de monitorizacion.

Modulo de clasificacion.

Modulo de toma de decisiones.



Figura: RDSR-V tiene en cuenta el dano causado por nodos maliciosos.



Funcionamiento de RDSR-V

Se monitorizan las perdidas del camino utilizado.

Se actualiza el FPL (Fraction Packet Lost) de cada nodo de esecamino una vez recibido RTCP-RR (Real Time Control Protocol -Receiver Report).

Con FPL obtenemos RFV (Reputation Forwarding Value) y si este sesitua por debajo de lo permisible, se le anade una condena al nodo.

Si es la primera, tendra una duracion T . Si es la segunda, 2T .

A la tercera condena es expulsado definitivamente de la red.

A los nodos que cooperen activamente, se les recompensara con altaprioridad para sus paquetes.



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

RFV MOS PSNR FPL0,8 ≤ RFV < 1 5, 4 PSNR ≥ 30dB FPL < 2 %

0,5 ≤ RFV < 0,8 3 28dB ≤ PSNR < 30dB 2 % ≤ FPL < 6 %

0,2 ≤ RFV < 0,5 2 26dB ≤ PSNR < 28dB 6 % ≤ FPL < 10 %

0 ≤ RFV < 0,2 1, 0 PSNR < 26dB FPL ≥ 10 %

RFV ipath,k = f (FPLi

k ) = e−λ·(FPLik ) = e−14·(FPLi

k )

RFV isample,j = RFV i

path,k , 1 ≤ j ≤ Nk

RFV ij = (1− α

Nk) · RFV i−1

j +α

Nk· RFV i

sample,j , 1 ≤ j ≤ Nk (∗)

RFV ipath,k = min(RFV i

j ), 1 ≤ j ≤ Nk

(*) EWMA (Exponential Weighting Moving Average)


Reputacion de los nodos en redes MANET Resultados obtenidos

Area 400x400mNumero de nodos 20Numero de nodos malicios 1 (15 % perdidas)Fuentes de vıdeo 1, 2Velocidad de los nodos hasta 10 m/sCobertura 80mPatron de movilidad Random WaypointAncho de banda nominal 11 MbpsCodificacion de vıdeo MPEG-2Especificacion MAC IEEE 802.11eValor RFV inicial 0.5(α) 0,25Periodo RTCP-RR 5 sPrimera condena (T ) 25 sMaximo numero de condenas permitidas 3Tiempo de simulacion 500s



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Simulador utilizado e implementaciones desarrolladas Implementaciones

Implementaciones

Simulador de codigo abierto Network Simulator 2 (ns-2).

Protocolo RTP/RTCP para ns-2: se ha desarrollado un nuevoagente de protocolo para el simulador ns-2 con las funcionalidades delprotocolo RTP/RTCP siguiendo las lıneas de diseno de su RFC(Request For Comments) RFC-3550.

Transmisor/Receptor de MPEG-2 para ns-2: se ha trabajado ymodificado una implementacion de aplicaciones para ns-2 capaces deenviar/recibir ficheros de vıdeo reales MPEG-2 en simulaciones.

Implementacion de los protocolos MMDSR: s-MMDSR, a-MMDSR,ap-MMDSR, dg-MMDSR.

Implementacion del protocolo RDSR-V.

Implementacion necesaria para llevar a cabo el calculo de PSNR.


Simulador utilizado e implementaciones desarrolladas Implementaciones

Disponibilidad del codigo fuente

El codigo desarrollado en esta tesis ha sido publicado bajo licencia GNUGPL (General Public License)1, lo cual implica que puede ser librementedistribuido para uso propio. El codigo fuente completo esta disponible en:

http://sertel.upc.es/∼vcarrascal/ns2/

1Multipath Multimedia Dynamic Source Routing (MMDSR), Vıctor Carrascal Frıas,http://sertel.upc.es/∼vcarrascal/ns2/, Telematic Services Research Group. TechnicalUniversity of Catalonia, Spain.



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Conclusiones y lıneas futuras

Conclusiones de la Tesis

Desarrollo de MMDSR (Multipath Multimedia Dynamic SourceRouting): basado en DSR, utiliza tecnicas multicamino y de capacruzada.

Especıfico para aplicaciones de streaming de vıdeo.

Se han disenado parametros especıficos de QoS (RM, MM) ypaquetes especiales de control (PM, HM).

Se soportan multiples fuentes de vıdeo simultaneamente.

a-MMDSR (adaptive-MMDSR): rangos de los parametros yperıodo del algoritmo adaptativos.


Conclusiones y lıneas futuras

Conclusiones de la Tesis

ap-MMDSR (adaptive and Path Error Probability -MMDSR): losinstantes de refresco de las rutas son estimados proactivamentedecrementando ası la senalizacion introducida en la red.

dg-MMDSR (dynamic CW game-theoretic MMDSR): calculodinamico de la ventana de contencion para cada una de lascategorıas de acceso en IEEE 802.11e.

dg-MMDSR: nuevo esquema de encaminamiento basado enTeorıa de Juegos compartiendo los recursos entre nodoscompetidores que buscan incrementar sus propios beneficios,lograndose un beneficio comun.

RDSR-V (Reliable Dynamic Source Routing for Video): unprotocolo capaz de detectar nodos maliciosos, evitarlos yexpulsarlos de la red si persisten en su mal comportamiento.


Conclusiones y lıneas futuras Lıneas futuras

Lıneas futuras

Realizar un estudio exhaustivo de todas las opciones de diseno de lasarquitecturas desarrolladas en sus multiples versiones. Posteriormentese podrıa implementar en un sistema de pruebas real.

Trasladar las tecnicas implementadas a redes hetereogeneas.

Estudiar la aplicabilidad de las propuestas a servicios devideo-streaming sobre redes P2P (p.ej, P2PTV).

Extender el sistema hacia nuevos entornos de similares caracterısticas,como puedan ser VANETs o WSN.

Incluir nuevos estandars MAC: IEEE 802.11n trabaja con antenasMIMO (Multiple-Input Multiple-Output) y tasas de transmision dehasta 600 Mbit/s.



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Publicaciones Revistas internacionales

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Revistas internacionales

Carrascal Frıas V., Munoz, J.L., Esparza, O., Aguilar Igartua, M., Forne, J.,RDSR-V. Reliable Dynamic Source Routing for Video-Streaming over Mobile AdHoc Networks”, Elsevier Computer Networks 2008,http://www.elsevier.com/locate/comnet. Submitted, under evaluation.

Carrascal Frıas V., Dıaz Delgado G., Zavala Ayala A., Aguilar Igartua, M.,”MM-DSR: Encaminamiento multicamino con QoS para multiples fuentesmultimedia sobre redes moviles Ad Hoc (MM-DSR: Multipath QoS Routing formultiple Multimedia Sources over Ad Hoc Mobile Networks)”. IEEE Latin AmericaTransactions (Revista IEEE America Latina), vol 5, no 6, pp 448-456, 2007.ISSN/ISBN 1548-0992.

Dıaz Delgado, G., Carrascal Frıas, V., Aguilar Igartua, M., Cross-LayerOptimization 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 andHybrid Networks, vol 3, no 3, 2007. ISSN/ISBN 1845-6421.


Publicaciones Conferencias Internacionales

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Conferencias Internacionales

Carrascal Frıas, V., Zavala Ayala, A., Dıaz Delgado, G., Aguilar Igartua, M.,”Dynamic Cross-Layer Framework to provide QoS for Video-Streaming Servicesover Ad Hoc Networks”. Fifth International ICST Conference on HeterogeneousNetworking for Quality, Reliability, Security and Robustness, ICST QShine 2008,July 2008. ISBN 978-963-9799-26-4. Hong Kong, China.

Carrascal Frıas, V., Dıaz Delgado, G., Aguilar Igartua, M., ”Multipath Routing forVideo-Streaming Services over IEEE 802.11e Ad Hoc Networks”. 14th InternationalConference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM2006), September 2006. ISBN 953-6114-87-9. Split - Dubrovnik, Croatia.

Carrascal Frıas, V., Dıaz Delgado, G., Aguilar Igartua, M., ”Multipath Routingwith Layered Coded Video to Provide QoS for Video-Streaming Applications overMANETS”. 14th IEEE International Conference on Communication Networks(ICON 2006), September 2006, pp 167-172. ISSN: 1556-6463, ISBN0-7803-9746-0. Singapore.


Publicaciones Conferencias Internacionales

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Conferencias Internacionales

Dıaz Delgado, G., Carrascal Frıas, V., Aguilar Igartua, M., ”Video-StreamingTransmission with QoS over Cross-Layered Ad Hoc Networks”. 14th InternationalConference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM2006). Best Student Paper Award, September 2006. ISBN 953-6114-87-9. Split -Dubrovnik, Croatia.

Dıaz Delgado, G., Carrascal Frıas, V., Aguilar Igartua, M., ”ViStA-XL: ACross-Layer Design for Video-Streaming over Ad Hoc Networks”. 3rd. InternationalSymposium on Wireless Communication Systems (ISWCS 2006), September2006. ISBN 1-4244-00398-7. Valencia, Spain.

Carrascal Frıas, V., Dıaz Delgado, G., Aguilar Igartua, M., Alins Delgado J., MataDıaz J.. ”QoS Provision for Video-Streaming Applications over Ad Hoc Networks”.EUROCON 2005, November 2005, pp 640-643. ISBN 1-4244-0049-X. Belgrado,Serbia & Montenegro.


Publicaciones Conferencias Nacionales

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Conferencias Nacionales

Carrascal Frıas, V., Dıaz Delgado, G., Zavala Ayala, A., Aguilar Igartua, M.,”MM-DSR: Encaminamiento multicamino con QoS para multiples fuentesmultimedia sobre redes moviles Ad Hoc”. VI Jornadas de Ingenierıa Telematica,JITEL 2007, September 2007, pp 105-112. ISBN 978-84-690-6670-6. Malaga,Spain.

Zavala Ayala, A., Carrascal Frıas, V., Dıaz Delgado, G., Aguilar Igartua, M.,”Modelo Analıtico para el diseno de servicios video-streaming sobre redes MANETcon QoS”. VI Jornadas de Ingenierıa Telematica, JITEL 2007, September 2007,pp 121-128. ISBN 978-84-690-6670-6. Malaga, Spain.

Dıaz Delgado, G., Carrascal Frıas, V., Aguilar Igartua, M., ”ViStA-XL: Disenocross-layer para video-streaming con QoS en redes moviles Ad Hoc”. XXISimposium Nacional de la Union Cientıfica Internacional de Radio (URSI 2006),September 2006, pp 294-297. ISBN 84-611-2488-X. Oviedo, Spain.


Publicaciones Reportes Internos

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Reportes Internos

Carrascal Frıas V., Aguilar Igartua, M., ”Dynamic Multipath Routing using PathLifetime to improve Performance of Multimedia Applications over Ad HocNetworks”. Technical Report RI-2008 Car, 1400711220, November 2008.

Carrascal Frıas V., Aguilar Igartua, M., ”Dynamic Framework using AdaptiveContention Window and Game-Theoretic Multipath Routing for Video-StreamingServices over IEEE 802.11e MANETs”, Technical Report RI-2008 Car,1400711221, November 2008.

Carrascal Frıas V., Munoz, J.L., Esparza, O., Aguilar, M., Forne, J., RDSR-V:Reliable Dynamic Source Routing for Video-Streaming over Mobile Ad HocNetworks”, Technical Report RI-2008 Car, 1400711222, December 2008.


Tesis Doctoral

Contribucion para proveer Calidad de Servicio sobreredes moviles Ad Hoc en servicios de streaming de vıdeo

basada en una arquitectura adaptativa con disenotransversal entre capas

Autor: Vıctor Carrascal Frıas

Dra. de Tesis: Monica Aguilar Igartua

Departamento de Ingenierıa TelematicaUniversidad Politecnica de Cataluna

Marzo 2009

http://sertel.upc.es


contribution to provide qos over mobile ad hoc networks for video-streaming services based on...

Technology

caractersticas redes

presentacino redes ieee

redes inalmbricas ad

redes maneto

redes descentralizadas

qos extensin ieee

presentacin oredes ieee

upc v ctor carrascal