TU Darmstadt / ULB / TUprints

Application-Aware Cross-Layer Framework for Wireless Multihop Networks

Fasil, Mousie (2022):
Application-Aware Cross-Layer Framework for Wireless Multihop Networks. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020294,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Application-Aware Cross-Layer Framework for Wireless Multihop Networks
Language: English
Abstract:

Current and future mobile and social communications require a rethinking in the development of wireless communication. Optimizing the radio transmission method is not going to scale with the ever increasing user demands. The future internet requires a wireless communication network which can adapt seamlessly to changing environments and service requirements. Especially, service requirements driven by user demand and expanding user device diversity raise a key challenge with respect to content distribution. In this work, research is conducted to improve wireless communication by considering four main aspects: The first aspect is to build a multi layer solution, instead of a conventional single layer solution to achieve higher throughput gains. Here, the physical layer, the medium access layer and the network layer are studied together to utilize capabilities across all these three layers. Thus, a unified graph model is formulated to adapt available mechanisms on the lower three layers in a joint manner. The second aspect is to envision a wireless multihop network which can scale with the increasing number of mobile devices. On the one hand, the number of mobile devices is ever increasing and so is the density of mobile devices in any given network. On the other hand, the requirements and capabilities of mobile devices are becoming more diverse and hence the heterogeneity in a wireless network is growing. This leads to the conclusion that a wireless multihop network is more future proof compared to a wireless network composed only of several base stations. Therefore, the research is focused on wireless multihop scenarios where multiple wireless devices form the network and communication between them occurs over multiple hops. The third aspect is to incorporate different requirements of applications and capabilities of applications. The plethora of applications used in wireless networks come with different sets of requirements, e.g. bandwidth, and capabilities, e.g. adaption of the video quality. Taking into account these requirements and capabilities in addition to a multi layer solution can further increase the performance. In this work, the requirements and capabilities of adaptive video streaming are integrated into an application-aware cross-layer framework. More precisely, scalable video coding and dynamic adaptive streaming over HTTP are integrated into the aforementioned framework. The novel application-aware cross-layer framework adapts network support structures at the network layer, performs resource allocation at the medium access layer, switches between communication types at the physical layer and takes into account the capabilities and requirements of applications, e.g. adaptive video-streaming, at the application layer. The fourth aspect is to utilize aggregation of distributed content, where content is cached over the whole network and can than be aggregated to be consumed by users in the network. Recent research shows promising gains achievable when content is cached at mobile devices, but mostly for single hop wireless networks. Hence, the impact of mobile content caching where popular content is cached and aggregated over multiple devices in a network is investigated in this work. In more detail, a content delivery framework which jointly exploits content already cached at mobile devices as well as switching between mechanisms at the physical layer and the network layer in order to optimally deliver the content to all destinations under changing network conditions is proposed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der aktuelle wie auch zukünftiger Bedarf an mobiler und sozialer Kommunikation erfordert ein Umdenken bei der Entwicklung drahtloser Kommunikation. Die gängigen Ansätze, welche sich auf die Optimierung der Radioschnittstellen fokussieren, werden nicht mit den ständig steigenden Nutzeranforderungen skalieren. Das Internet der Zukunft erfordert ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk, das sich nahtlos an wechselnde Umgebungs- und Serviceanforderungen anpassen kann. Insbesondere die Güteanforderungen von Diensten, welche durch die Nachfrage der Benutzer und die wachsende Vielfalt der Benutzerendgeräte getrieben werden, stellen eine große Herausforderung in Bezug auf die Verteilung von Inhalten dar. In dieser Arbeit wird die Verbesserung der drahtlosen Kommunikation unter Berücksichtigung von vier Hauptaspekten erforscht: Der erste Aspekt ist der Aufbau einer Multi-Layer-Lösung anstelle einer herkömmlichen Single-Layer-Lösung, um einen höheren Durchsatz zu erreichen. Hier werden die physikalische Schicht, die Medienzugriffsschicht und die Netzwerkschicht gemeinsam untersucht, um die Möglichkeiten aller drei Schichten zu nutzen. So wird ein einheitliches graph-basiertes Modell formuliert, um die verfügbaren Mechanismen auf den unteren drei Schichten gemeinsam zu betrachten. Der zweite Aspekt ist der Entwurf eines drahtlosen Multihop-Netzwerks, das mit ansteigender Anzahl von mobilen Geräten skalieren kann. Einerseits steigt die Anzahl der mobilen Geräte immer weiter an und damit auch die Dichte der mobilen Geräte in einem gegebenen Netzwerk. Auf der anderen Seite werden die Anforderungen und Fähigkeiten der mobilen Geräte immer vielfältiger und damit wächst die Heterogenität in einem drahtlosen Netzwerk. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass drahtlose Multihop-Netzwerke zukunftssicherer sind als drahtlose zellulare Netzwerke, die aus mehreren Basisstationen bestehen. Daher konzentriert sich diese Arbeit auf drahtlose Multihop-Szenarien, bei denen mehrere drahtlose Geräte das Netzwerk bilden und die Kommunikation zwischen ihnen über mehrere Zwischenstationen erfolgt. Der dritte Aspekt ist die Berücksichtigung der unterschiedlichen Anforderungen und Fähigkeiten der Applikationen. Die Vielzahl von Applikationen, die in drahtlosen Netzwerken eingesetzt werden, bringen unterschiedliche Anforderungen, z.B. an die Bandbreite, und Fähigkeiten, z.B. die Anpassung der Videoqualität, mit sich. Die Berücksichtigung dieser Anforderungen und Fähigkeiten zusätzlich zu einer Multi-Layer-Lösung kann die Leistungsfähigkeit der Netzwerke weiter steigern. In dieser Arbeit werden die Anforderungen und Fähigkeiten von adaptivem Videostreaming in ein transitionsfähiges, schichtenübergreifendes Optimierungsrahmenwerk integriert. Genauer gesagt, werden skalierbare Videocodierung und dynamisches adaptives Streaming über HTTP in das oben genannte Rahmenwerk integriert. Das neuartige transitionsfähige, schichtenübergreifende Optimierungsrahmenwerk passt Netzwerkunterstützungsstrukturen auf der Netzwerkschicht an, führt eine Ressourcenallokationen auf der Medienzugriffsschicht durch, schaltet zwischen Kommunikationstypen auf der physikalischen Schicht um und berücksichtigt die Fähigkeiten und Anforderungen von Anwendungen, z.B. von adaptivem Videostreaming, auf der Applikationsschicht. Der vierte Aspekt ist die Nutzung der Aggregation verteilter Inhalte. Hier werden Inhalte über das gesamte Netzwerk zwischengespeichert und können dann aggregiert werden, um von Benutzern im Netzwerk konsumiert zu werden. Aktuelle Forschungsarbeiten zeigen, dass vielversprechende Gewinne erzielt werden können, wenn Inhalte auf mobilen Geräten zwischengespeichert werden, allerdings meist für konventionelle drahtlose Netzwerke. Daher wird in dieser Arbeit die Auswirkung mobiler Zwischenspeicher untersucht, in denen beliebte Inhalte zwischengespeichert und über mehrere Geräte im Netzwerk aggregiert werden. Im Detail wird das transitionsfähige, schichtenübergreifende Optimierungsrahmenwerk für das Aggregieren verteilter Inhalte vorgestellt, das sowohl bereits auf mobilen Geräten zwischengespeicherte Inhalte als auch das Umschalten zwischen Mechanismen auf der physikalischen Schicht und der Netzwerkschicht nutzt, um die Inhalte unter wechselnden Netzwerkbedingungen optimal an alle Ziele zu liefern.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VII, 101 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communications Engineering
TU-Projects: DFG|SFB1053|SFB1053 TPC01 Klein
Date Deposited: 12 Jan 2022 12:26
Last Modified: 12 Jan 2022 12:26
DOI: 10.26083/tuprints-00020294
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-202942
Referees: Klein, Prof. Dr. Anja ; Hollick, Prof. Dr. Matthias
Date of oral examination: 29 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20294
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