Design and Implementation of a Communication Protocol to Improve Multimedia QoS and QoE in Wireless Ad Hoc Networks
Juan Ramón Díaz Santos · 2016
This dissertation addresses the problem of multimedia delivery over multi-hop ad hoc wireless networks, and especially over wireless sensor networks.Due to their characteristics of low power consumption, low processing capacity and low memory capacity, they have major difficulties in achieving optimal quality levels demanded by end users in such communications. Resumen iii ResumenEsta tesis doctoral aborda el problema de la distribución de contenidos multimedia a través de redes inalámbricas ad hoc multisalto, especialmente las redes inalámbricas de sensores que, debido a sus características de bajo consumo energético, baja capacidad de procesamiento y baja capacidad de memoria, plantean grandes dificultades para alcanzar los niveles de calidad óptimos que exigen los usuarios finales en dicho tipo de comunicaciones.En la primera parte de este trabajo se ha llevado a cabo un estudio para determinar el comportamiento de una gran variedad de flujos multimedia y como se ven afectados por las condiciones de la red cuando son transmitidos a través topologías formadas por dispositivos de diferentes tecnologías que se comunican en modo ad hoc multisalto inalámbrico.Para ello, se han realizado pruebas experimentales sobre una maqueta de laboratorio, combinando los principales códecs empleados en la transmisión de audio y video a través de redes IP con diversas capturas de sonido y video que representan patrones característicos de servicios multimedia tales como las llamadas telefónicas, videoconferencias, IPTV o video bajo demanda (VOD).Con la información reunida en el laboratorio se ha podido establecer la correlación entre los cambios inducidos en la topología física y lógica de la red con los parámetros que miden la calidad de servicio (QoS) de una transmisión multimedia, tales como la latencia el jitter o la pérdida de paquetes.En esta fase de la investigación se realiza un estudio para determinar el estado del arte de las propuestas de desarrollo e implementación de protocolos y algoritmos que se han generado de forma explícita para optimizar la transmisión de tráfico multimedia sobre redes ad hoc inalámbricas, especialmente en las redes inalámbricas de sensores y redes ad hoc utilizando clústeres de nodos distribuidos en un espacio geográfico.Juan Ramón Díaz Santos iv El siguiente paso en la investigación ha consistido en el desarrollo de un algoritmo propio para la organización lógica de clústeres formados por nodos capaces de adaptarse a las circunstancias del tráfico en tiempo real.El objetivo planteado es conseguir un aprovechamiento máximo de los recursos ofrecidos por el conjunto de nodos que forman la red, permitiendo de forma simultánea el envío de todo tipo de contenidos a través de ellos de forma confiable y eficiente, permitiendo la convivencia de tráfico de datos IP convencional con tráfico multimedia con requisitos exigentes de QoS y QoE.A partir de la información conseguida en la fase anterior, se ha desarrollado una arquitectura de red que mejora el rendimiento general de la red y el de las transmisiones multimedia de audio y video en particular.De forma paralela, se ha diseñado y programado un protocolo de comunicación que permite implementar el modelo y testear su funcionamiento sobre infraestructuras de red reales.En la última fase de esta tesis se ha dirigido la atención hacia la transmisión multimedia en las redes de sensores inalámbricos (WSN).Partiendo de los resultados anteriores, se ha adaptado tanto la arquitectura como el protocolo de comunicaciones para este tipo concreto de red, cuyo uso se ha extendido en los últimos años de forma considerable. Resum v ResumEsta tesi doctoral aborda el problema de la distribució de continguts multimèdia a través de xarxes sense fil ad hoc multi salt, especialment les xarxes sense fil de sensors que, a causa de les seues característiques de baix consum energètic, baixa capacitat de processament i baixa capacitat de memòria, plantegen grans dificultats per a aconseguir els nivells de qualitat òptims que exigixen els usuaris finals en eixos tipus de comunicacions.En la primera part d'este treball s'ha dut a terme un estudi per a determinar el comportament d'una gran varietat de fluxos multimèdia i com es veuen afectats per les condicions de la xarxa quan són transmesos a través topologies formades per dispositius de diferents tecnologies que es comuniquen en mode ad hoc multi salt sense fil.Per a això, s'han realitzat proves experimentals sobre una maqueta de laboratori, combinant els principals códecs empleats en la transmissió d'àudio i vídeo a través de xarxes IP amb diverses captures de so i vídeo que representen patrons característics de serveis multimèdia com son les cridades telefòniques, videoconferències, IPTV o vídeo baix demanda (VOD).Amb la informació reunida en el laboratori s'ha pogut establir la correlació entre els canvis induïts en la topologia física i lògica de la xarxa amb els paràmetres que mesuren la qualitat de servei (QoS) d'una transmissió multimèdia, com la latència el jitter o la pèrdua de paquets.En esta fase de la investigació es realitza un estudi per a determinar l'estat de l'art de les propostes de desenvolupament i implementació de protocols i algoritmes que s'han generat de forma explícita per a optimitzar la transmissió de tràfic multimèdia sobre xarxes ad hoc sense fil, especialment en les xarxes sense fil de sensors and xarxes ad hoc utilitzant clusters de nodes distribuïts en un espai geogràfic.El següent pas en la investigació ha consistit en el desenvolupament d'un algoritme propi per a l'organització lògica de clusters formats per nodes capaços Agradecimientos vii Agradecimientos Con la presentación de esta tesis culmina un proceso de aprendizaje profesional y personal vinculado a la investigación científica.Este no es el final del camino, sino solamente una parada para recapitular el camino andado y seguir adelante.No me hubiera sido posible llegar hasta aquí sin la ayuda y el apoyo constante de mi director de tesis, Jaime Lloret, al que quiero agradecer el tiempo y el esfuerzo dedicado en la revisión de cada una de las partes que han formado esta investigación y, sobretodo, por la energía y el entusiasmo con la que aborda su trabajo y que me ha transmitido durante este tiempo.Desde que hace varios años comenzará con las primeras pruebas experimentales que servirían de base para la investigación posterior, me he enriquecido con los conocimientos y habilidades de muchos compañeros.La aportación que han realizado a esta tesis José Miguel Jiménez, Sandra Sendra, Miguel García Pineda, Diana Bri, Mohammed Hammoummi o Fernando Boronat es inestimable para mí.Desde la ayuda prestada en el diseño y puesta en marcha de los procedimientos experimentales, pasando por la revisión de los modelos y protocolos utilizados, hasta las orientaciones y ayudas ofrecidas para realizar la comunicación de los resultados a través de artículos.Todos ellos han hecho posible que el producto de esta investigación se haya publicado en varias de las revistas científicas internaciones con mayor impacto dentro del campo de investigación de las nuevas tecnologías y las telecomunicaciones.No puedo olvidar en este apartado de agradecimientos a Joel Rodrigues y a su equipo de trabajo, en la universidad de Beira Interior de Covilha, que durante mi estancia en Portugal me acogieron y me ayudaron a expandir mis puntos de vista, adquiriendo nuevas técnicas y conocimientos.Por último, quiero agradecer de forma muy especial y entrañable a mi familia que me ha permitido alcanzar el equilibrio entre la faceta personal y profesional de la HARDWARE INFRASTRUCTURE