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Enabling Efficient, Robust, and Scalable Wireless Multi-Hop Networks: A Cross-Layer Approach Exploiting Cooperative Diversity

Loch Navarro, Adrian Carlos :
Enabling Efficient, Robust, and Scalable Wireless Multi-Hop Networks: A Cross-Layer Approach Exploiting Cooperative Diversity.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Enabling Efficient, Robust, and Scalable Wireless Multi-Hop Networks: A Cross-Layer Approach Exploiting Cooperative Diversity
Language: English
Abstract:

The practical performance in terms of throughput, robustness, and scalability of traditional Wireless Multihop Networks (WMNs) is limited. The key problem is that such networks do not allow for advanced physical layers, which typically require (a) spatial diversity via multiple antennas, (b) timely Channel State Information (CSI) feedback, and (c) a central instance that coordinates nodes. We propose Corridor-based Routing to address these issues. Our approach widens traditional hop-by-hop paths to span multiple nodes at each hop, and thus provide spatial diversity. As a result, at each hop, a group of transmitters cooperates at the physical layer to forward data to a group of receivers. We call two subsequent groups of nodes a stage. Since all nodes participating in data forwarding at a certain hop are part of the same fully connected stage, corridors only require one-hop CSI feedback. Further, each stage operates independently. Thus, Corridor-based Routing does not require a network-wide central instance, and is scalable. We design a protocol that builds end-to-end corridors. As expected, this incurs more overhead than finding a traditional WMN path. However, if the resulting corridor provides throughput gains, the overhead compensates after a certain number of transmitted packets.

We adapt two physical layers to the aforementioned stage topology, namely, Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA), and Interference Alignment (IA). In OFDMA, we allocate each subchannel to a link of the current stage which provides good channel conditions. As a result, we avoid deep fades, which enables OFDMA to transmit data robustly in scenarios in which traditional schemes cannot operate. Moreover, it achieves higher throughputs than such schemes. To minimize the transmission time at each stage, we present an allocation mechanism that takes into account both the CSI, and the amount of data that each transmitter needs to transmit. Further, we address practical issues and implement our scheme on software-defined radios. We achieve roughly 30% average throughput gain compared to a WMN not using corridors. We analyze OFDMA in theory, simulation, and practice. Our results match in all three domains.

Further, we design a physical layer for corridor stages based on IA in the frequency domain. Our practical experiments show that IA often performs poorly because the decoding process augments noise. We find that the augmentation factor depends only on the channel coefficients of the subchannels that IA uses. We design a mechanism to determine which transmitters should transmit to which receivers on which subchannels to minimize noise. Since the number of possible combinations is very large, we use heuristics that reduce the search space significantly. Based on this design, we present the first practical frequency IA system. Our results show that our approach avoids noise augmentation efficiently, and thus operates robustly. We observe that IA is most suitable for stages with specific CSI and traffic conditions. In such scenarios, the throughput gain compared to a WMN not using corridors is 25% on average, and 150% in the best case.

Finally, we design a decision engine which estimates the performance of both OFDMA and IA for a given stage, and chooses the one which achieves the highest throughput. We evaluate corridors with up to five stages, and achieve roughly 20% average throughput gain. We conclude that switching among physical layers to adapt to the particular CSI and traffic conditions of each stage is crucial for efficient and robust operation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Durchsatz, die Robustheit, und die Skalierbarkeit von klassischen drahtlosen multi-hop Netzen ist in der Praxis beschränkt. Das grundlegende Problem ist, dass solche Netze fortschrittliche Verfahren auf der Bitübertragungsschicht nicht unterstützen. Diese Verfahren erfordern in der Regel (a) räumliche Diversität mit Hilfe mehrerer Antennen, (b) aktualisierte Kanalinformation am Sender, und (c) eine zentrale Instanz zur Koordinierung der Netzwerkknoten. Im Rahmen dieser Arbeit wird Korridor-basiertes Routing vorgeschlagen um diese Limitierungen in drahtlosen multi-hop Netzen zu beheben. Dieser Ansatz weitet klassische multi-hop Pfade auf, um mehrere Knoten in jedem Hop zu erfassen, und somit räumliche Diversität zu erreichen. Dadurch kooperiert bei jedem Hop eine Gruppe von Sendern auf der Bitübertragungsschicht, um Daten an eine Gruppe von Empfängern weiterzuleiten. Zwei aufeinanderfolgende Knotengruppen formen eine Korridoretappe. Da alle Knoten, die an der Weiterleitung von Daten in einem Hop teilnehmen, zur selben vollvermaschten Etappe gehören, ist die Rückmeldung von Kanalinformation nur über einen Hop notwendig. Zusätzlich ist Korridor-basiertes Routing skalierbar, da jede Etappe unabhängig betrieben wird, und somit keine netzwerkweite zentrale Koordinierungsinstanz benötigt wird. Durch die Etablierung von Ende-zu-Ende Korridoren entstehen im Vergleich zur Etablierung von klassischen Pfaden in drahtlosen multi-hop Netzen, wie erwartet, zusätzliche Kosten in Form von Kontrollnachrichten. Wenn der daraus entstehende Korridor jedoch Durchsatzgewinne ermöglicht, gleichen sich die Etablierungskosten nach einer gewissen Anzahl an Paketübertragungen aus. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Techniken auf der Bitübertragungsschicht für die obengenannte Systemarchitektur erforscht. Es handelt sich dabei um Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) und Interference Alignment (IA). In Etappen, die OFDMA einsetzen, wird jeder Subkanal einem Link der Etappe zugeordnet, der für diesen Subkanal eine gute Kanalqualität aufweist. Somit kann OFDMA in Szenarien, in denen klassische Weiterleitungsmechanismen auf der Bitübertragungsschicht nicht betriebsfähig sind, Daten robust übertragen. Zudem kann ein höherer Durchsatz als bei solchen klassischen Ansätzen erzielt werden. Um die Etappenübertragungszeit zu minimieren, wird ein Allokationsverfahren vorgeschlagen, das sowohl die Kanalinformation als auch die Menge an Daten, die jeder Sender in einer Etappe übertragen möchte, berücksichtigt. Ferner werden die praktischen Herausforderungen, die der Betrieb einer Etappe auf Basis von OFDMA stellt, behandelt, und eine Implementierung auf Software Defined Radios realisiert. Der durchschnittliche Durchsatzgewinn liegt bei 30% im Vergleich zu klassischen drahtlosen multi-hop Netzen. OFDMA wird in Theorie, Simulation, und Praxis analysiert. Die Ergebnisse in allen drei Domänen stimmen überein. Weiterhin wird IA in der Frequenz als Bitübertragungsschicht für Korridoretappen untersucht. Praktische Experimente zeigen, dass IA oft nur einen geringen Durchsatz aufgrund von einer Verstärkung des Rauschens im Zuge des Dekodierungsprozesses erreicht. Es wird festgestellt, dass der Verstärkungsfaktor nur von den Kanalkoeffizienten der Subkanäle abhängt, die für IA verwendet werden. Auf Basis dieser Erkenntnis wird ein Mechanismus vorgeschlagen, der bestimmt, welche Senderknoten mit welchen Empfängerknoten innerhalb einer Etappe über welche Subkanäle Daten austauschen sollten, um den Verstärkungsfaktor zu minimieren. Da die Anzahl an möglichen Kombinationen sehr umfangreich ist, werden Heuristiken entworfen, die den Suchraum erheblich reduzieren. Auf diesem Mechanismus aufbauend wird das erste praktikable übertragungssystem entwickelt, dass IA in der Frequenz nutzt. Die Messergebnisse zeigen, dass die obengenannte Verstärkung des Rauschens effizient vermieden, und somit ein robuster Betrieb erzielt werden kann. Es wird auch deutlich, dass IA nur für Korridoretappen mit bestimmten Kanalzuständen und Datenaufkommen an den Sendern geeignet ist. Im Vergleich zu klassischen multi-hop Netzen beträgt in solchen Fällen der durchschnittliche Durchsatzgewinn 25% und der maximale Durchsatzgewinn 150%. Abschließend wird ein Entscheidungsmechanismus entwickelt, der für eine bestimmte Etappe die Technik auf der Bitübertragungsschicht auswählt, die den höchsten Durchsatz erreicht. Es werden Korridore mit bis zu fünf Etappen untersucht; diese erzielen einen durchschnittlichen Durchsatzgewinn von 20%. Insgesamt erweist sich, dass die Fähigkeit von Korridoren die beste Technik auf der Bitübertragungsschicht auszuwählen, um sich so an die Gegebenheiten der einzelnen Etappen anpassen zu können, entscheidend ist, um einen effizienten und robusten Betrieb zu ermöglichen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Sichere Mobile Netze
Date Deposited: 26 Mar 2015 14:25
Last Modified: 26 Mar 2015 14:25
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44702
Referees: Hollick, Prof. Dr. Matthias and Crowcroft, Prof. Jon and Widmer, Dr. Joerg
Refereed: 20 March 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4470
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