Scheduling strategies to improve quality of service for heterogeneous data over resource constrained wireless mesh networks
Date
2017-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Cost and bandwidth plays a major role in many telemetry and Internet of Things (IoT)
application network implementations. Wireless Mesh Networks (WMNs) based on singleradio
single-channel (SRSC) networks will likely attract more deployments if the required
quality of service (QoS) can be provided. Carrier sense multiple access with collision
avoidance (CSMA/CA) is more widely used in WMNs where access to the network is
decentralized and each node makes its own decision on when to access the channel. CSMA/
CA in WMNs faces an increase in packet loss and contention with an increase in
the number of hops to reach the destination, compared to nodes that are closer to the
destination, resulting in an increase in collisions and wastage of bandwidth as the packets
have to be re-transmitted. The distributed coordination function (DCF) approach does
not provide data differentiated priority services, while the enhanced distributed channel
access (EDCA) method was mainly designed for delay sensitive non-elastic applications to
provide differentiated services. With EDCA, an unfairness problem exists, where higher
priority data can starve low priority data under high load scenarios while EDCA performs
poorly in multi-hop networks.
This dissertation focuses on improving QoS by reducing packet loss, reducing collisions
and improving fairness to prevent starvation in low cost SRSC WMNs. This research
hypothesizes that these problems can be addressed by first selecting a packet for transmission
and then performing the channel contention by removing the internal contention
mechanism. It also asserts that the queue selection mechanism plays a critical role in
the achievable QoS. The research also hypothesizes that hybrid configured network layouts
using DCF can improve performance. Hybrid and homogeneous configured network
layout strategies have been investigated to support the research. Five medium access
control (MAC) layer schedule before contention (SBC) mechanisms have been developed,
namely adaptive weighted round robin (AWRR), roulette wheel sampling (RWS), RWSAGE,
congestion control and fairness scheduling strategies (CCFS) and queue load control priority (QLCP). The performance of these strategies is compared to EDCA and DCF
networks through simulations.
It was found that the CCFS mechanism tends to starve lower priority data under
heavy loads and performs poorly. RWS-AGE showed the least packet loss in homogeneous
configured network layouts. A random weighted selection strategy with an age counter
performs better than a weighted round robin strategy. If the lower priority data are not
starved, it helps to lower packet loss as they use larger CW ranges for the back-off. An
important ingredient in reducing packet loss in hybrid con gured network layouts is by
using DCF as it has a larger CW range and also reduces collisions. To further verify that
RWS-AGE reduces packet loss, the strategy was implemented on the FIT-IoT Lab test
bed and its performance was veri ed. A novel analytical model for the end-to-end delay
for SBC strategies following Markovian theory has been developed. The results from
this research support the initial hypotheses and provide important guidelines for network
implementation in resource constrained WMNs carrying heterogeneous elastic traffic for
a variety of applications.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Koste en bandwydte speel 'n belangrike rol in baie telemetrie-, asook Internet van die Dinge (IoT) netwerke. Enkelkanaal multihopradionetwerke (WMNs) sal waarskynlik wyer toegepas word as die vereiste kwaliteit van diens (QoS) verseker kan word. Kontensievermydingstrategie (CSMA/CA) word algemeen gebruik in hierdie tipe netwerk, waar elke node self beding vir toegang tot die netwerk. Waar bandwydte beperk is, soos algemeen die geval in meer landelike toepassings, gee hierdie strategie aanleiding tot aansienlike toename in pakkieverlies en gevolglike onderbenutting van bandwydte. Subnodes nader aan die eindnode, kry tipies beter diens as ander verder weg. Geprioritiseerde diens word nie ondersteun deur die verspreide koördinasiefunksie (DCF) benadering nie en die verbeterde verspreide kanaaltoegangsmetode (EDCA) is hoofsaaklik ontwerp vir stelsels sensitief vir vertraging en die voorsiening van gedifferensieerde dienste. EDCA vertoon ook 'n onregverdigheidsprobleem, waar hoër-prioriteit data die vloei van laer-prioriteit data feitlik heeltemal kan stop by hoë beladings. EDCA vertoon ook swak in multihop netwerke. Hierdie verhandeling fokus op die verbetering van QoS deur vermindering van pakkieverlies, die vermindering van botsings en die verbetering van regverdigheid en deurset in laekoste enkelkanaal WMNs. Hierdie navorsing toets die hipotese dat probleme verminder kan word deur aanvanklike pakkiekeuse en dan meer doeltreffende oordrag deur verwydering van die interne kontensiemeganisme. Die proefskrif ondersoek ook dat die tou-seleksiemeganisme 'n kritieke rol speel t.o.v. die haalbare QoS. Die navorsing bepaal verder of hibriede netwerkuitlegte tesame met DCF, werkverrigting kan verbeter. Hibriede- en homogene netwerke is in hierdie proses ondersoek. Vyf meganismes vir skedulering voor toegang (SBC) tot die kommunikasielaag (MAC), is ontwikkel. Hulle is die geweegde rondomtalie- (AWRR), roulettewiel monstermetode- (RWS), twee metodes vir vloeibeheer en regverdigheidverbetering- (CCFS en RWS-AGE) en tou-prioriteitsbeheer (QLCP). Die werkverrigting van hierdie strategieë is uitvoerig d.m.v. simulasie vergelyk met EDCA en DCF. Daar is bevind dat die CCFS meganisme geneig is om laer-prioriteit data ernstig te benadeel, met algemene swak werkverrigting onder hoë belading. RWS-AGE het die minste pakkieverlies getoon in homogene netwerke. 'n Ewekansige geweegde seleksiestrategie met ouderdomsteller vaar beter as 'n geweegde rondomtalie strategie. As die laer-prioriteit data nie so drasties beperk word nie, verminder dit pakkieverlies, omdat hulle ân groter kontensievenster gebruik. Die toepas van DCF is 'n belangrike aspek om pakkieverlies te verminder in hibriede netwerke, aangesien dit 'n groter kontensievenster het en ook botsings verminder. Om verder te bevestig dat RWS-AGE pakkieverlies verminder, is die strategie geïmplementeer op die Inria FIT-IOT Lab toetsbed en die werkverrigting geverifieer. Verder is 'n nuwe analitiese model, wat berus op 'n Markov benadering, ontwikkel vir die end-tot-end vertraging in enkelkanaal multihop radionetwerke. Die resultate van hierdie navorsing ondersteun die aanvanklike hipotese en verskaf belangrike riglyne vir netwerkimplementering in toepassings onderhewig aan netwerkbeperkings.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Koste en bandwydte speel 'n belangrike rol in baie telemetrie-, asook Internet van die Dinge (IoT) netwerke. Enkelkanaal multihopradionetwerke (WMNs) sal waarskynlik wyer toegepas word as die vereiste kwaliteit van diens (QoS) verseker kan word. Kontensievermydingstrategie (CSMA/CA) word algemeen gebruik in hierdie tipe netwerk, waar elke node self beding vir toegang tot die netwerk. Waar bandwydte beperk is, soos algemeen die geval in meer landelike toepassings, gee hierdie strategie aanleiding tot aansienlike toename in pakkieverlies en gevolglike onderbenutting van bandwydte. Subnodes nader aan die eindnode, kry tipies beter diens as ander verder weg. Geprioritiseerde diens word nie ondersteun deur die verspreide koördinasiefunksie (DCF) benadering nie en die verbeterde verspreide kanaaltoegangsmetode (EDCA) is hoofsaaklik ontwerp vir stelsels sensitief vir vertraging en die voorsiening van gedifferensieerde dienste. EDCA vertoon ook 'n onregverdigheidsprobleem, waar hoër-prioriteit data die vloei van laer-prioriteit data feitlik heeltemal kan stop by hoë beladings. EDCA vertoon ook swak in multihop netwerke. Hierdie verhandeling fokus op die verbetering van QoS deur vermindering van pakkieverlies, die vermindering van botsings en die verbetering van regverdigheid en deurset in laekoste enkelkanaal WMNs. Hierdie navorsing toets die hipotese dat probleme verminder kan word deur aanvanklike pakkiekeuse en dan meer doeltreffende oordrag deur verwydering van die interne kontensiemeganisme. Die proefskrif ondersoek ook dat die tou-seleksiemeganisme 'n kritieke rol speel t.o.v. die haalbare QoS. Die navorsing bepaal verder of hibriede netwerkuitlegte tesame met DCF, werkverrigting kan verbeter. Hibriede- en homogene netwerke is in hierdie proses ondersoek. Vyf meganismes vir skedulering voor toegang (SBC) tot die kommunikasielaag (MAC), is ontwikkel. Hulle is die geweegde rondomtalie- (AWRR), roulettewiel monstermetode- (RWS), twee metodes vir vloeibeheer en regverdigheidverbetering- (CCFS en RWS-AGE) en tou-prioriteitsbeheer (QLCP). Die werkverrigting van hierdie strategieë is uitvoerig d.m.v. simulasie vergelyk met EDCA en DCF. Daar is bevind dat die CCFS meganisme geneig is om laer-prioriteit data ernstig te benadeel, met algemene swak werkverrigting onder hoë belading. RWS-AGE het die minste pakkieverlies getoon in homogene netwerke. 'n Ewekansige geweegde seleksiestrategie met ouderdomsteller vaar beter as 'n geweegde rondomtalie strategie. As die laer-prioriteit data nie so drasties beperk word nie, verminder dit pakkieverlies, omdat hulle ân groter kontensievenster gebruik. Die toepas van DCF is 'n belangrike aspek om pakkieverlies te verminder in hibriede netwerke, aangesien dit 'n groter kontensievenster het en ook botsings verminder. Om verder te bevestig dat RWS-AGE pakkieverlies verminder, is die strategie geïmplementeer op die Inria FIT-IOT Lab toetsbed en die werkverrigting geverifieer. Verder is 'n nuwe analitiese model, wat berus op 'n Markov benadering, ontwikkel vir die end-tot-end vertraging in enkelkanaal multihop radionetwerke. Die resultate van hierdie navorsing ondersteun die aanvanklike hipotese en verskaf belangrike riglyne vir netwerkimplementering in toepassings onderhewig aan netwerkbeperkings.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Electronic data processing -- Scheduling, UCTD, Telemetering transmitters, Wireless sensor networks, Heterogeneous computing, Quality of service (Computer networks)