proposal for m sc project networks and distributed systems

11
UNIVERSITY OF NAIROBI An Empirical Study and Simulation of Wireless VoIP in Areas that are Geographically Challenged Network Performance and Distributed Computing Kenneth Odhiambo P58/70655/2008 Supervisor: Theuri 3/21/2010 Study Programme: Masters in Computer Science (MSc. CS) This Document outlines my MSc. Dissertation Project Proposal, the purpose of which is to propose a solution that will incorporate a people excluded from the cellular network as a result of geographical challenges. The study will attempt to report the viability of Wireless VoIP in geographically challenged areas, through an empirical study and simulation to address areas related to performance in a wireless environment.

Upload: ken-ouma

Post on 18-May-2015

2.797 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

This Document outlines my MSc. Dissertation Project Proposal, the purpose of which is topropose a solution that will incorporate a people excluded from the cellular network as aresult of geographical challenges. The study will attempt to report the viability of WirelessVoIP in geographically challenged areas, through an empirical study and simulation toaddress areas related to performance in a wireless environment.

TRANSCRIPT

Page 1: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

UNIVERSITY OF NAIROBI

An Empirical Study and Simulation of Wireless VoIP in Areas that are 

Geographically ChallengedNetwork Performance and Distributed 

Computing  

Kenneth Odhiambo ‐ P58/70655/2008Supervisor: Theuri 

3/21/2010 

Study Programme: Masters in Computer Science (MSc. CS) 

 This Document outlines my MSc. Dissertation Project Proposal, the purpose of which is to propose a solution that will incorporate a people excluded from the cellular network as a result of geographical challenges. The study will attempt to report the viability of Wireless VoIP in geographically challenged areas, through an empirical study and simulation to address areas related to performance in a wireless environment. 

Page 2: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

1 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

Table of Contents 

Contents 1.  Introduction ....................................................................................................................... 2 

1.1.  Problem description ....................................................................................................... 2 

1.2.  Objective .......................................................................................................................... 3 

1.3.  Importance of Study (to the MSc. CS) ............................................................................ 3 

1.4.  Scope of Study: ................................................................................................................ 4 

2.  Literature Review ............................................................................................................... 5 

3.  Methodology ....................................................................................................................... 7 

4.  Resources Required ............................................................................................................ 8 

4.1.  Software Components..................................................................................................... 8 

4.2.  Hardware Resources ...................................................................................................... 8 

4.3.  Other Resources .............................................................................................................. 8 

5.  Time Schedule ..................................................................................................................... 9 

6.  Bibliography ..................................................................................................................... 10 

Page 3: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

2 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

1. Introduction 

The most prevalent and successful wireless technologies are all cellular. Cellular carriers are 

scrambling  to  provide  fast,  efficient  IP  transport mechanisms  across  the  various  cellular 

networks. But  therein  lies  a  lot of  the problem. With wireless  technology,  challenges  are 

often about finding a line of sight — a clear path from the office or transmitter beaming out 

the internet signal to the home or business receiving it.  Thus, forested areas, mountainous 

regions and remote villages will most certainly be overlooked by cellular carriers, given that 

these kinds of terrain require several towers to be setup and this is simply not cost‐effective 

for most  cellular  carriers. Cellular  carriers  thrive on high demand  for voice  services which 

usually have a high cost of deployment. 

 

Fixed wireless VoIP is cheaper to deploy and has much higher data capacity but the end‐user 

device  (usually  a  computer)  is more  expensive  than  a  cellphone.  These not withstanding, 

wireless devices are experiencing a plummet  in prices globally;  this  is also  reflected  in  the 

local market.  A key point to note is that once connectivity has been brought to a reasonable 

distance  then  it  can  be  spread  to  the  challenged  area  by  setting  up  a Wi‐Fi  VoIP mesh 

network. Creating  a  local  community wireless network  can be done quickly using off‐the‐

shelf components. The  real challenge  is  to build enough demand  to make  such a network 

financially sustainable. The best way to do this  is through telephony. A considerable  latent 

demand  for person‐to‐person  communication  already exists,  and phones  are  easy  to use, 

have low maintenance and support costs, and can support a wide range of voice based and 

data services. 

Therefore,  this  study  will  assess  the  use  of  wireless  VoIP  technologies  for  promoting 

telecommunication development and applications in the geographically challenged areas. 

1.1. Problem description 

The  country  of  Kenya  boasts  some  39 million  people  (as  of  the  recent  census  –  not  yet 

confirmed) living in an area spanning 582,650 sq km with the rift valley as one of the major 

land marks, deserts to the north, forests and mountainous in the central and western part of 

the country and a few islands in the Coastal and Nyanza provinces. With the country’s sheer 

size,  come  the  inevitable  geographical  challenges  of  deploying  microwave  technology 

Page 4: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

3 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

successfully. With microwave  being  the  de  facto  connectivity method  in  Kenya, We  are 

forced to deal with the challenges that it brings such as susceptibility to a number of factors 

that  lead  to  signal  degradation  and  eventually  loss  of  that  signal  consequently we  get  a 

communication breakdown. Some of these factors include signal attenuation over distance, 

lack  of  line  of  sight  (LoS),  noise  addition  to  the  signal  etc.  Thus,  Although  Kenya  has  an 

expansive  microwave  network,  in  certain  areas  communication  is  still  a  problem.    The 

microwave network is mainly used for voice communication, with data coming of age slowly. 

Only 1 in 400 Kenyans have regular Internet access despite the plunging costs of connectivity, 

yet Voice over IP (VoIP) has been touted as a significantly lower‐cost communication media.  

With  these  in  mind,  we  want  to  look  at  how  communication  can  be  delivered  to 

geographically  challenged  areas  that  cellular  providers  overlook  while  taking  into 

consideration challenges such as performance, quality of service, and resource optimization 

of VoIP.  

1.2. Objective  The  main  objective  is  to  study  and  document  ways  of  delivering  wireless  VoIP  to 

geographically challenged areas at lower costs while maintaining high performance,  

Other objectives include 

1. To  determine  the  quality  of  service  offered  by  wireless  VoIP  in  geographically 

challenged areas 

2. Simulate  a Wireless  VoIP  Network  with  focus  on  Reliability  and  suggest  ways  of 

addressing the resultant problems 

3. To report the finding of the study and simulations  

1.3. Importance of Study (to the MSc. CS) 

VoIP  is  a  rapidly  evolving  technology  that  could  possibly  revolutionize  the 

telecommunication  industry. When  implemented  on  wireless  data  networks,  VoIP  could 

prove  to  be  instrumental  in  the  convergence  of  existing  fixed  and  cellular  telephony 

networks with  the  fast growing wired and wireless data networks. Capacity and Quality of 

Service  are  two  of  the  most  important  issues  that  need  to  be  resolved  before  the 

commercial deployment of wireless VoIP. 

Page 5: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

4 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

1.4. Scope of Study: 

The study focuses on the quality of VoIP in wireless networks with mobile devices both in lab 

and live network environment setups by conducting a methodic performance analysis. 

Likewise, our study will encompass the signaling performance required for VoIP applications. 

We will evaluate VoIP quality and signaling performance in non challenged environment. The 

Session initiation protocol (SIP) will be the selected protocol for use during experimentation. 

The Study will be conducted in Nairobi area in the following selected areas;  

Kileleshwa Estate – A highly vegetative area with new high‐rise buildings springing up.  

Kiserean Region,  ‐ A hilly suburb with sparsely populated settlements 

Nairobi Dam – This area will represent regions with larges quantities of water bodies 

Our study takes into consideration both the performance of the network and also the 

performance of real embedded VoIP clients. In addition, we validate the results, by 

comparing them to the actual performance in areas with clear lines of sight from the service 

providers within the Nairobi Region. Based on the results, we analyze the primary 

differences in performance between simulations found in the literature, our lab experiences 

and a live network case study. Finally, we discuss possible features that can improve the 

performance enough in current and future releases to support Wireless VoIP in 

geographically challenged areas. 

 

Page 6: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

5 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

2. Literature Review 

An extensive research on the area under discussion will be reviewed, this will feature major 

literatures on Wireless mesh networks, VoIP    and  the  surrounding  technologies Also best 

practices  and  guidelines  used  in  the  networking  projects  are  reviewed.  Some  of  the 

indicative literature review is given below:  

 

1. Corinna “Elektra” Achele et al, Wireless Networking  in the Developing World, first 

Edition, Limehouse Book Sprint Team, 2006 

This  book  looks  at  a  practical  introduction  to  radio  physics with  details  on  how  a 

wireless  infrastructure can be built for very  little cost compared to traditional wired 

alternatives.  Light  is  shed on where waves emanating  from device are going, what 

happens when they bounce off objects and how they can be used  in the same area 

without  interfering  with  each  other.  It  examines  the  intricacies  of  antennas  and 

transmission  lines receiving signals and passing them to the receiver with minimum 

amount of distortion for decoding.  

 

2. Paul J. Fong et al,   Configuring Voice over  IP, Second edition, Syngress Publishing, 

Inc. 800 Hingham Street Rockland, MA 02370, USA, 2002. 

To truly add value to wireless VoIP, it  is  imperative that  information relating to new 

technologies is taken into account, with coverage of topics such as Session Initiation 

Protocol  (SIP)  and  Media  Gateway  Control  Protocol  (MGCP).  VoIP  networks  are 

required to interconnect in some manner with a traditional voice network, such as to 

the  public  switched  telephone  network.  An  understanding  of  traditional  voice‐

networking  technology  is  also  invaluable  because  the  historic  aspects  of  voice 

networking  provide  an  insight  into  why  certain  VoIP  protocols  are  designed  and 

operate the way they do. After all, there would be no VoIP without traditional voice! 

This  book  offers  a  review  of  the  available QoS  techniques,  it  also  provides  actual 

configurations  of ways  to  implement  several  techniques  to maintain  and  improve 

voice  quality.  Finally,  this  literature  will  provide  guidance  that  is  required  to 

understand, design, deploy, and maintain VoIP networks. 

 

Page 7: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

6 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

3.  Dr.Ghossoon M.Waleed  Al‐Saadoon,  “Asterisk Open  Source  to  Implement  Voice 

over  Internet  Protocol”,  IJCSNS  International  Journal  of  Computer  Science  and 

Network Security, VOL.9 No.6, June 2009 

This  journal provides a procedural approach to building a VoIP network.  In order to 

be able to simulate a Wireless VoIP network, an understanding of the following will 

be important: 

 1. Setup a server that provides VoIP using Asterisk.  

2. Determine the advantages of using VoIP.  

3. Check the difference of Asterisk over other type of VoIP server.  

4. Study the differences between H.323 protocol and Session Initiation protocol (SIP). 

 

4. The  Easy  Guide  to  Data  and  Voice  Networking,  Cisco  Systems  Ltd.    The  Square 

Stockley Park Uxbridge Middlesex UB11 1BN 

 

Page 8: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

7 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

3. Methodology 

To achieve the objectives the project will provide extensive theoretical analysis to be done 

to the wireless VoIP system such as the protocols in use, latencies that are experienced while 

in use, the capacity that can be handled by the wireless links under extraneous conditions.   

As alluded to in the scope, the “challenged” locations are defined by many factors including: 

Heavy vegetation, bad weather such as fog, mountainous regions, and areas with large 

water bodies etc. Each factor must be properly weighted for importance. Additionally, 

because there are so many variables that must be taken into account it will most likely be 

impossible to gather all of them from one data source. Thus a major challenge is data 

integration. 

The Second Stage will include the use of a simulator to study the performance of the 

wireless VoIP systems with the selected area. NS3 software will be used to accomplish this 

work. A software simulation is important since it normally considers all practical factors 

which may be too general to be considered in the theoretical development. The system 

parameters will be varied or changed in order to study their effect on the system’s 

performance. The parameters used are: 

 

Reliability  Mean time to failure (MTTF) 

Mean time to repair (MTTR) 

Mean time between failures (MTBF) 

Percentage of time available 

Packet loss rate 

Bit error rate 

 

 

Based on both the theoretical and simulative studies carried out, we shall then document 

the results and draw conclusions as to the feasibility of the W‐VoIP in geographically 

challenged areas. 

Page 9: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

8 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

4. Resources Required 

4.1.  Software Components 

Asterisk – Free Open Source Tool 

Open source software PBX system. 

Asterisk gives us connectivity for both PSTN and VoIP networks. 

Provides channels for communication on different hardware’s, protocols (SIP), and codec’s. 

Yate – Free Open Source Tool 

Yate is an open source soft phone which can be used as VoIP client. 

Yate provides many modules like ‘callgen’, and ‘message sniffer’ for measuring the performance of the PBX server. 

NS3 – Free Open Source Tool To ensure the validity of the results and to extend the results in areas like node mobility we will simulate an access point based wireless network using the Network Simulator (NS2 or NS3). NS2 is a discrete event simulator meant for networking research 

4.2.  Hardware Resources 

Wireless IP Phones – Estimate Price: Kes 1000/= 

Active analog Phone ‐ Estimate Price: Kes 1,000/= 

GSM Smart Phones with Symbian OS Installed ‐ Estimate Price: Kes 15,000/= 

Linksys SPA3102 – Gateway ‐ Estimate Price: Kes 8,000/= 

Linksys ATA – Adapter ‐ Estimate Price: Kes 8,000/= 

PC  ‐ Estimate Price: Kes 10,000/= 

4.3.  Other Resources 

Travel Expenses ‐ Estimate Price: Kes 10,000/= 

Documentation – Estimate Price: Kes 5,000/= 

Supervisory (72,000/=)  

 Total Budget expenditure: Estimate Price: Kes: 58,000/= 

 

Page 10: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

9 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

5. Time Schedule 

The final section of this proposal identifies the anticipated workflow of my project along with 

expected completion dates. Each phase will have some overlap from other phases. For 

example, writing will take place during all phases although for illustrative purposes they are 

each listed as disjoint. I have given extensive consideration to the amount of work required 

to complete this project and have determined that although difficult this project can be 

completed in the allotted time. This can be seen in the summary table directly below  

Milestone  Estimated Time of Completion 

Analyze the project and do literary 

review 

Define the problem and write 

research proposal 

Gather data sources 

Design schema 

Integrate sources 

Design Simulation/experiment 

Run Simulation/experiments 

Gather results 

Complete dissertation paper 

‐March 1st 

 

‐March 24th  

 

June 10th  

July 15th  

July 20th  

July 25th  

August 15th  

September 1st  

October 1st to 15th  

 

Page 11: Proposal For M Sc Project   Networks And Distributed Systems

10 | P a g e CONTACT: 0733-999235;; [email protected]

6. Bibliography 

i. Dr.Ghossoon M.Waleed Al‐Saadoon, “Asterisk Open Source to Implement Voice over 

Internet Protocol”, IJCSNS International Journal of Computer Science and Network 

Security, VOL.9 No.6, June 2009 

ii. Paul J. Fong et al,  Configuring Voice over IP, Second edition, Syngress Publishing, Inc. 

800 Hingham Street Rockland, MA 02370, USA, 2002. 

iii. Corinna “Elektra” Achele et al, Wireless Networking in the Developing World, first 

Edition, Limehouse Book Sprint Team, 2006 

iv. Steven M. Ross (The University of Memphis) and  Gary R. Morrison (Wayne State 

University), experimental research methods,  

v. A. Al‐Naamany, H. Bourdoucen and W. Al‐Menthari,  Modeling and Simulation of 

Quality of Service in VoIP Wireless LAN, Journal of Computing and Information 

Technology ‐ CIT 16, 2008, 2, Pages 131–142. 

vi. WIKIPEDIA, Voice over IP. Article from Wikipedia, December 2009. (Available on: 

http://en.wikipedia.org/wiki/VoIP ). 

vii. R. Price, S. Manor, C. Bormann, T. Bremen, J. Christoffersson, H. Hannu, Z. Liu, and J. 

Rosenberg, Signaling Compression (SigComp). RFC 3320, January 2003. [Online]. 

Available: http://www.rfc‐editor.org/rfc/rfc3320.txt  

viii. Professor Aduda’s Lecture Notes on Research Methodologies  

ix. T. J. Patel, V. A. Ogale and S. Baek, N. Cui, R. Park, Capacity Estimation of VOIP 

Channels on Wireless Networks, WNCG, Dept of Electrical and Computer Engineering, 

The University of Texas at Austin, Austin TX 78712