Contention techniques for opportunistic communication in wireless mesh networks

Auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation und insbesondere auf den tieferen Netzwerkschichten sind gewaltige Fortschritte zu verzeichnen. Innovative Konzepte und Technologien auf der physikalischen Schicht (PHY) gehen dabei zeitnah in zelluläre Netze ein. Drahtlose Maschennetzwerke (WMNs) können mit diesem Innovationstempo nicht mithalten. Die Mehrnutzer-Kommunikation ist ein Grundpfeiler vieler angewandter PHY Technologien, die sich in WMNs nur ungenügend auf die etablierte Schichtenarchitektur abbilden lässt. Insbesondere ist das Problem des Scheduling in WMNs inhärent komplex. Erstaunlicherweise ist der Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung (CSMA) in WMNs asymptotisch optimal obwohl das Verfahren eine geringe Durchführungskomplexität aufweist. Daher stellt sich die Frage, in welcher Weise das dem CSMA zugrunde liegende Konzept des konkurrierenden Wettbewerbs (engl. Contention) für die Integration innovativer PHY Technologien verwendet werden kann. Opportunistische Kommunikation ist eine Technik, die die inhärenten Besonderheiten des drahtlosen Kanals ausnutzt. In der vorliegenden Dissertation werden CSMA-basierte Protokolle für die opportunistische Kommunikation in WMNs entwickelt und evaluiert. Es werden dabei opportunistisches Routing (OR) im zustandslosen Kanal und opportunistisches Scheduling (OS) im zustandsbehafteten Kanal betrachtet. Ziel ist es, den Durchsatz von elastischen Paketflüssen gerecht zu maximieren. Es werden Modelle für Überlastkontrolle, Routing und konkurrenzbasierte opportunistische Kommunikation vorgestellt. Am Beispiel von IEEE 802.11 wird illustriert, wie der schichtübergreifende Entwurf in einem Netzwerksimulator prototypisch implementiert werden kann. Auf Grundlage der Evaluationsresultate kann der Schluss gezogen werden, dass die opportunistische Kommunikation konkurrenzbasiert realisierbar ist. Darüber hinaus steigern die vorgestellten Protokolle den Durchsatz im Vergleich zu etablierten Lösungen wie etwa DCF, DSR, ExOR, RBAR und ETT.In the field of wireless communication, a tremendous progress can be observed especially at the lower layers. Innovative physical layer (PHY) concepts and technologies can be rapidly assimilated in cellular networks. Wireless mesh networks (WMNs), on the other hand, cannot keep up with the speed of innovation at the PHY due to their flat and decentralized architecture. Many innovative PHY technologies rely on multi-user communication, so that the established abstraction of the network stack does not work well for WMNs. The scheduling problem in WMNs is inherent complex. Surprisingly, carrier sense multiple access (CSMA) in WMNs is asymptotically utility-optimal even though it has a low computational complexity and does not involve message exchange. Hence, the question arises whether CSMA and the underlying concept of contention allows for the assimilation of advanced PHY technologies into WMNs. In this thesis, we design and evaluate contention protocols based on CSMA for opportunistic communication in WMNs. Opportunistic communication is a technique that relies on multi-user diversity in order to exploit the inherent characteristics of the wireless channel. In particular, we consider opportunistic routing (OR) and opportunistic scheduling (OS) in memoryless and slow fading channels, respectively. We present models for congestion control, routing and contention-based opportunistic communication in WMNs in order to maximize both throughput and fairness of elastic unicast traffic flows. At the instance of IEEE 802.11, we illustrate how the cross-layer algorithms can be implemented within a network simulator prototype. Our evaluation results lead to the conclusion that contention-based opportunistic communication is feasible. Furthermore, the proposed protocols increase both throughput and fairness in comparison to state-of-the-art approaches like DCF, DSR, ExOR, RBAR and ETT

Kooperatives Forwarding in drahtlosen Maschennetzen

In der vorliegenden Arbeit werden praktische Protokolle für spontane drahtlose Multi-Hop Maschennetze vorgestellt, diese betrachten das drahtlose System ganzheitlich und berücksichtigen damit die Besonderheiten des drahtlosen Mediums, wie Fading, Interferenz sowie starke Signaldämpfung aufgrund von Entfernung bzw. Hindernissen. Interferenz ist eine Hauptursache für Paketverlust, Durchsatz und Latenz können durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer interferenzfreier Kanäle verbessert werden. In Sensor- bzw. Community-Netzen kommt preiswerte und energiesparende Hardware zum Einsatz, die Verwendung zusätzlicher Antennen bzw. Radios ist deshalb nicht möglich. Andererseits werden aber zukünftige drahtlose Netze eine 100-mal höhere Knotendichte, verglichen mit heutigen Netzen, zeigen. Durch die Ausnutzung der im System inhärent vorliegenden Ressource Nutzer (Multi-User Diversität) werden durch Kooperation virtuelle Multi-Antennen und Multi-Radiosysteme aufgebaut. Aufgrund des großen Abstands zwischen den Knoten erreicht man erstens eine hohe räumliche Diversität und zweitens lassen sich damit auch negative Effekte, wie Interferenz zwischen benachbarten Kanälen, minimieren. Es werden Algorithmen sowohl für die Mediumzugriff- als auch die Routing-Schicht vorgestellt. Da keine spezielle physikalische Schicht notwendig ist, kann IEEE 802.11 verwendet werden. Schließlich kann auch auf die bereits heute verfügbare IEEE 802.11 Hardware, die nur eine Kanalumschaltzeit im Millisekundenbereich erlaubt, zurückgegriffen werden. Die zwei vorgestellten Protokolle eignen sich für Umgebungen mit hoher bzw. geringer Interferenz durch fremde WiFi-Netze. Bezüglich Durchsatz werden moderne Protokolle, wie DSR auf Basis von IEEE 802.11 und ETX-Metrik, um ein Vielfaches übertroffen, außerdem ist die Latenz klein und das TCP/IP-Protokoll kann unverändert verwendet werden.In this work practical protocols are introduced for spontaneous wireless multi-hop mesh networks which contemplate the wireless system integrally and therefore take into account particular features of the wireless medium, like fading, interference as well as strong signal attenuation due to distance or obstacles. Interference is one of the main causes for packet loss. Throughput and latency can be improved by the simultaneous use of several non-interfering channels. In sensor or community networks inexpensive and energy-saving hardware is used. Additional antennas or radios are impossible therefore; on the other hand future wireless networks will show a 100 times higher node density in comparison with today''s networks, however. By the usage of the resource user (multi-user diversity), that is inherently present in the system virtual multi-antennas and multi-radio systems can be built up by cooperation. Firstly, a high spatial diversity can be achieved due to the large distance between the nodes and secondly, negative effects like interference can be minimized between neighboring channels. Algorithms are introduced both for medium access and routing layer. Since a special physical layer is not required IEEE 802.11 can be used. These days already available 802.11 hardware, which allows a channel switching time in milliseconds, is finally usable. The two protocols introduced here are suitable for environments with a high or low interference caused by foreign WiFi networks. Regarding their performance modern protocols like DSR based on 802.11 and ETX metric are surpassed by far. Moreover, the latency is small and the TCP/IP protocol can be used in its unchanged form