QoS-based audio and video packet scheduling over WiMAX Mesh networks

Abstract

´E evidente na actualidade que os utilizadores procuram cada vez mais aceder a servi¸cos multim´edia e aplica¸c˜oes interactivas nos seus terminais m´oveis. H´a, portanto, uma necessidade de implementar arquitecturas de Qualidadede- Servi¸co (QoS) e Qualidade-de-Experiˆencia (QoE) robustas, que sejam capazes de fornecer um atraso baixo para as aplica¸c˜oes interactivas, ao mesmo tempo que lidam com outro tipo de aplica¸c˜oes que requerem uma maior largura de banda, mas com mais tolerˆancia a atrasos, desta forma maximizando a utiliza¸c˜ao dos recursos dispon´ıveis na rede e melhorando a experiˆencia do utilizador final. A norma IEEE 802.16 representa uma das tecnologias mais avan¸cadas e de maior relevˆancia para o acesso sem fios em banda larga a redes de ´area metropolitana. O modo de opera¸c˜ao Ponto-multiponto (PMP) do IEEE 802.16 foi desenvolvido para suportar requisitos de QoS, control´avel pelo operador da rede, e desta forma complementando as solu¸c˜oes m´oveis de terceira-gera¸c˜ao j´a existentes. Um modo alternativo de opera¸c˜ao em malha (MESH) permite a cria¸c˜ao de redes flex´ıveis e auto-configur´aveis em que o tr´afego ´e encaminhado atrav´es de v´arios n´os. Esta tese aborda os temas de QoS e QoE quando aplicados a redes sem fios em malha, operando sobre a norma IEEE 802.16. S˜ao contribu´ıdos melhoramentos e an´alises de desempenho a uma nova arquitectura para trazer suporte de QoS ao modo de opera¸c˜ao MESH do standard 802.16. Tamb´em ´e apresentado um novo escalonador de pacotes com o objectivo de melhorar a qualidade subjectiva de servi¸cos de ´audio, v´ıdeo e transferˆencia de ficheiros que o utilizador final experiencia. Os resultados provenientes de simula¸c˜oes demonstram tanto a eficiˆencia da arquitectura QoS em termos de medidas objectivas como taxa de transfer ˆencia e atraso de pacotes, como o bom funcionamento do escalonador de pacotes para QoE, com melhorias vis´ıveis em m´etricas de qualidade subjectiva.

It is clear nowadays that users are becoming increasingly interested in accessing multimedia and interactive applications on their mobile terminals. Therefore, there is a need to implement robust Quality-of-Service (QoS) and Quality-of-Experience (QoE) architectures capable of providing low delay for such interactive applications, while at the same time dealing with other bandwidth-hungry but more delay-tolerant services, and thereby maximizing the network’s available resources and improving the end-user experience. The IEEE 802.16 standard represents one of the most relevant and advanced technologies for broadband wireless access in metropolitan area networks. The point-to-multipoint (PMP) mode of IEEE 802.16 has been designed to support quality of service (QoS) requirements, controlled by the network operator, thus complementing the existing third-generation mobile solutions. An alternative mesh (MESH) mode of operation allows the creation of flexible, self-configuring networks with traffic routing through various nodes. This thesis approaches the subjects of QoS and QoE when applied to wireless mesh networks operating under the IEEE 802.16 standard. It provides improvements and performance evaluations of a new architecture to bring QoS support to the 802.16 MESH mode of operation. It also presents a new packet scheduler with the aim to improve the subjective quality of audio, video and file transfer services, as experienced by the end user. Simulation results demonstrate both the efficiency of the QoS architecture in terms of objective measurements such as throughput and packet delay, and the good functioning of the QoE-aware packet scheduler, with noticeable increases in subjective quality metrics.