Scalable and interference aware wi-fi mesh networks using cots devices

A crescente tendencia no acesso móvel tem sido potenciada pela tecnologia IEEE 802.11. Contudo, estas redes têm alcance rádio limitado. Para a extensão da sua cobertura é possível recorrer a redes emalhadas sem fios baseadas na tecnologia IEEE 802.11, com vantagem do ponto de vista do custo e da flexibilidade de instalação, face a soluções cabladas. Redes emalhadas sem fios constituídas por nós com apenas uma interface têm escalabilidade reduzida. A principal razão dessa limitação deve-se ao uso do mecanismo de acesso ao meio partilhado Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) em topologias multi-hop. Especificamente, o CSMA/CA não evita o problema do nó escondido levando ao aumento do número de colisões e correspondente degradação de desempenho com impacto direto no throughput e na latência. Com a redução da tecnologia rádio torna-se viável a utilização de múltiplos rádios por nó, sem com isso aumentar significativamente o custo da solução final de comunicações. A utilização de mais do que um rádio por nó de comuniações permite superar os problemas de desempenho inerentes ás redes formadas por nós com apenas um rádio. O objetivo desta tese, passa por desenvolver uma nova solução para redes emalhadas multi-cana, duar-radio, utilizando para isso novos mecanismos que complementam os mecanismos definidos no IEEE 802.11 para o estabelecimento de um Basic Service Set (BSS). A solução é baseada na solução WiFIX, um protocolo de routing para redes emalhadas de interface única e reutiliza os mecanismos já implementados nas redes IEEE 802.11 para difundir métricas que permitam à rede escalar de forma eficaz minimizando o impacto na performance. A rede multi-hop é formada por nós equipados com duas interfaces, organizados numa topologia hierárquica sobre múltiplas relações Access Point (AP) – Station (STA). Os resultados experimentais obtidos mostram a eficácia e o bom desempenho da solução proposta face à solução WiFIX original.The increasing trend on mobile access has been mainly potentied for IEEE 802.11 technology. However these networks suffer from reduced radio range. The extension of coverage can be potentiated by mesh deployments since they provide an ease, robust, flexible and cost effective solution for this problem. These networks are built upon nodes scattered in a mesh topology that form the backbone of an extended basic service set. Single radio Wireless Mesh Networks (WMN) however suffer from reduced scalability. The main reason to such limitation is the use of Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) in the multi-hop topology. Specifically, CSMA/CA fails to prevent the hidden and exposed node occurrence, which respectively, lead to an increase on the number of collisions and flow retentions. The direct impact on throughput and latency reduces the overall network performance to values that no longer match user increasing demands. As radio technology becomes cheaper, it became possible to equip nodes with multiple interfaces and operate them in multiple channels in order the reduce interference from links operating on a common channel. Therefore the goal of this thesis is to develop a new WMN Multi-Radio Multi-Channel (MRMC) solution addressing new mechanisms not yet covered in state of art. The proposed solution, is based on WiFIX, a Single Radio (SR) WMN routing protocol and reuses the mechanisms already implemented in IEEE 802.11 networks to broadcast metrics that enable the network to auto-configure efficiently and to scale with minimum overhead. The multi-hop backbone is formed by nodes equipped with two interfaces disposed in a hierarchical topology, under multiple Access Point (AP) - Station (STA) relations. The results obtained from an experimental testbed clearly show the effectiveness of the solution compared with the original WiFIX and its capability to scale resulting from the overhead control and co-channel interference reduction