Ad Hoc Wireless Networks: A Communication-Theoretic Perspective

337 Pages·2006·4.962 MB·English

by  Ozan K. Tonguz, Gianluigi Ferrari(auth.)

Ad Hoc Wireless Networks
AdHocWirelessNetworks:ACommunication-TheoreticPerspective OzanK.TonguzandGianluigiFerrari
© 2006 John Wiley & Sons, Ltd. ISBN: 0-470-09110-X
Ad Hoc Wireless Networks
A Communication-Theoretic Perspective
Ozan K. Tonguz
CarnegieMellonUniversity,USA
Gianluigi Ferrari
UniversityofParma,Italy
John Wiley & Sons, Ltd
Copyright©2006 JohnWiley&SonsLtd,TheAtrium,SouthernGate,Chichester,
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To Inci, Dilek, Cihan and Tonguz
Ozan K. Tonguz
To Anna
Gianluigi Ferrari
Contents
Preface xiii
ListofAcronyms xv
1 RelatedWorkandPreliminaryConsiderations 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 ARouting-BasedApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 AnInformation-TheoreticApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 ADynamicControlApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4 AGame-TheoreticApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 ANewPerspectivefortheDesignofAdHocWirelessNetworks . . . . . . 5
1.4 OverviewoftheUnderlyingAssumptionsintheFollowingChapters. . . . . 9
1.5 TheMainPhilosophyBehindtheBook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 ACommunication-TheoreticFrameworkforMulti-hopAdHocWireless
Networks:IdealScenario 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 RouteDiscovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 AverageNumberofHops. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Communication-TheoreticBasics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1 BitErrorRateattheEndofaMulti-hopRoute . . . . . . . . . . . 18
2.3.2 LinkSignal-to-NoiseRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 BERPerformanceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 UncodedTransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 CodedTransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5 NetworkBehavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.1 Minimum Spatial Energy Density and Minimum Transmit Power
forFullConnectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.2 Connectivity:AverageSustainableNumberofHops . . . . . . . . 34
2.5.3 LifetimeofaNode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6 ConcludingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
viii Contents
3 ACommunication-TheoreticFrameworkforMulti-hopAdHocWireless
Networks:RealisticScenario 43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Communication-TheoreticBasics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Inter-nodeInterference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 GeometricConsiderations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 TrafficModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 RESGOMACProtocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5.1 ScenariowithStrongLOSandInterferencefromNodesinTier1. . 50
3.5.2 ScenariowithStrongLOSandInterferencefromNodesinTiers1
and2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.3 ScenariowithStrongMultipath(RayleighFading) . . . . . . . . . 58
3.5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 RESLIGOMACProtocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.1 ScenariowithStrongLOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6.2 ScenariowithStrongMultipath(RayleighFading) . . . . . . . . . 69
3.6.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.7 NetworkBehavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7.1 Minimum Spatial Energy Density and Minimum Transmit Power
forFullConnectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7.2 ScenariowithStrongLOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7.3 ScenariowithStrongMultipath(RayleighFading) . . . . . . . . . 75
3.7.4 Connectivity:AverageSustainableNumberofHops . . . . . . . . 78
3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4 ConnectivityinAdHocWirelessNetworks:APhysicalLayerPerspective 85
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Quasi-regularTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.1 AFormalDefinitionofQuasi-regularTopology . . . . . . . . . . . 87
4.2.2 ACommunication-TheoreticApproach . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.3 WhatHappensifEachNodehasTwoSpatialNeighbors? . . . . . . 93
4.2.4 WhatHappensifThereisInter-nodeInterference? . . . . . . . . . 96
4.3 RandomTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.1 RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.2 ConnectivityinAdHocWirelessNetworkswithRandomTopology 102
4.3.3 EvaluationoftheLikelihoodofBroadcastPercolation . . . . . . . 104
4.3.4 WhatHappensifThereisInter-nodeInterference? . . . . . . . . . 108
4.4 ConcludingRemarksandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5 EffectiveTransportCapacityinAdHocWirelessNetworks 111
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 ModelandAssumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.1 RouteBitErrorRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.2 LinkSignal-to-NoiseRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.3 AverageSustainableNumberofHops . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4 Single-RouteEffectiveTransportCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Contents ix
5.5 AggregateEffectiveTransportCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.5.1 Ideal(noINI)Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.5.2 Realistic(INI)Case:RESGOMACProtocol . . . . . . . . . . . . 123
5.5.3 Realistic(INI)Case:RESLIGOMACProtocol . . . . . . . . . . . 128
5.6 ComparisonoftheRESGOandRESLIGOMACProtocols . . . . . . . . . 131
5.7 Spread-RESGO:ImprovedRESGOMACProtocolwithPer-routeSpreading
Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.9 ConcludingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6 ImpactofMobilityonthePerformanceofMulti-hopAdHocWireless
Networks 143
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.2.1 Ideal(noINI)Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.2.2 Realistic(INI)Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.3 SwitchingModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.3.1 OpportunisticNon-reservation-BasedSwitching . . . . . . . . . . 149
6.3.2 Reservation-BasedSwitching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4 MobilityModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4.1 Direction-PersistentMobilityModel . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4.2 Direction-Non-persistent(DNP)MobilityModel . . . . . . . . . . 155
6.5 NumericalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.5.1 Direction-PersistentMobilityModel . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.5.2 Direction-Non-persistentMobilityModel . . . . . . . . . . . . . . 161
6.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7 RouteReservationinAdHocWirelessNetworks 167
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.2 RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.3 NetworkModelsandAssumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.1 NetworkTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.2 TypicalRoutes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.3.3 BitErrorRateattheEndofaMulti-hopRoute . . . . . . . . . . . 170
7.3.4 RetransmissionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.3.5 Mobility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.4 TheTwoSwitchingSchemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.4.1 Reservation-BasedSwitching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.4.2 Non-reservation-BasedSwitching . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.5 AnalysisoftheTwoSwitchingTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.5.1 Reservation-BasedSwitching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.5.2 Non-reservation-BasedSwitching . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.6 ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.6.1 SwitchingSchemeandTrafficLoad . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.6.2 EffectsofInterference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.6.3 EffectsoftheNumberofSimultaneouslyActiveDisjointRoutes . . 188
7.6.4 EffectsofNodeSpatialDensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
x Contents
7.6.5 EffectsofMobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.6.6 ImplicationsonPracticalScenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.7 ConcludingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8 OptimalCommonTransmitPowerforAdHocWirelessNetworks 195
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.2 ModelandAssumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.2.1 NetworkTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.2.2 Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.2.3 MediumAccessControlProtocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.3 Connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.3.1 SquareGridTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.3.2 Two-DimensionalPoissonTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.4 BERattheEndofaMulti-hopRoute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.4.1 SquareGridTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.4.2 RandomTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.5 OptimalCommonTransmitPower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.5.1 OptimalCommonTransmitPowerforNetworkswithSquareGrid
Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.5.2 OptimalCommonTransmitPowerforNetworkswithRandom
Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.6 PerformanceMetrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.6.1 NodeandNetworkLifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.6.2 EffectiveTransportCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.7 ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.7.1 OptimalTransmitPowerandDataRate . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.7.2 OptimalTransmitPowerandNodeSpatialDensity . . . . . . . . . 210
8.7.3 EffectsofStrongPropagationPathLoss . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.7.4 ConnectivityRobustnesstoNodeSpatialDensityChanges . . . . . 213
8.7.5 PracticalDeterminationoftheOptimalTransmitPower . . . . . . . 215
8.8 RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9 TheRoutingProbleminAdHocWirelessNetworks:ACross-Layer
Perspective 219
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.2 ExperimentalEvidence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.3 Preliminaries:AnalyticalModelsandAssumptions . . . . . . . . . . . . . . 221
9.3.1 PhysicalLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.3.2 MediumAccessControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.3.3 BasicNetworkingAssumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.4 RouteSelection:SimulationStudy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.4.1 NetworkTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.4.2 BER-BasedRoutingversusShortest-PathRouting . . . . . . . . . 227
9.5 NetworkPerformanceEvaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.5.1 AverageHopLengthModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.5.2 RetransmissionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Contents xi
9.5.3 PacketErrorRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.5.4 Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
9.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.6.1 Cross-layerRouting:APracticalPerspective . . . . . . . . . . . . 243
9.6.2 Mobility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.7 RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10 ConcludingRemarks 249
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.2 ExtensionsoftheTheoreticalFramework:OpenProblems . . . . . . . . . . 249
10.2.1 PerformanceofAdHocWirelessNetworks:RandomVersus
UniformTopologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.2.2 ImpactofClusteringontheBERPerformanceinAdHocWireless
Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.2.3 Impact of Receiver Sensitivity on the Performance of Ad Hoc
WirelessNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.2.4 Spectral Efficiency–Connectivity Tradeoff in Ad Hoc Wireless
Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.2.5 MIMO-OFDMWirelessCommunications . . . . . . . . . . . . . . 256
10.2.6 SmartAntennasandDirectionalAntennas . . . . . . . . . . . . . . 256
10.3 NetworkArchitectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.4 NetworkApplicationArchitectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.5 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
10.6 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
AppendixA AnalysisoftheInter-nodeInterference 265
A.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
A.2 ExactComputationoftheAverageLinkBERinaScenariowithStrongLOS 265
A.2.1 InterferencefromNodesinTier1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
A.2.2 InterferencefromNodesinTiers1and2 . . . . . . . . . . . . . . 271
A.2.3 InterferencefromNodesinTier2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
A.2.4 SimulationScenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
A.3 Exact Computation of the Average Link BER in a Scenario with Strong
Multipath(RayleighFading) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
A.3.1 InterferencefromNodesinTier1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
A.3.2 InterferencefromNodesinTiers1and2 . . . . . . . . . . . . . . 278
A.3.3 InterferencefromNodesinTiers1,2and3 . . . . . . . . . . . . . 278
A.4 LOSandMultipath(RiceFading) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
A.5 GaussianAssumptionfortheInterferenceNoise . . . . . . . . . . . . . . . 280
A.5.1 RouteBitErrorRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
A.5.2 InterferencePower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
AppendixB ProofofTheorem1,Chapter5 287
AppendixC RouteDiscovery 293
xii Contents
AppendixD ValidationofAnalyticalResults 295
D.1 ValidationofNetworkGoodput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
D.2 ValidationofDelay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
D.3 ValidationofAverageNumberofSimultaneouslyActiveRoutes . . . . . . . 297
AppendixE DerivationofJointCDFofW and(cid:1) 299
References 307
Index 327