design and analysis of medium access control - WordPress.com

283 Pages·2009·1.8 MB·English

DESIGN AND ANALYSIS OF
MEDIUM ACCESS CONTROL
PROTOCOLS FOR AD HOC AND
COOPERATIVE
WIRELESS NETWORKS

Ph. D. Dissertation by

Jesús Alonso-Zárate

Ph. D. Thesis Advisors:

Christos Verikoukis, Ph. D.
Senior Research Associate
Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC)

Luis Alonso, Ph. D.
Associate Professor
Department of Signal Theory and Communications (TSC)
Escola Politècnica Superior de Castelldefels (EPSC)
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)

Barcelona, January 2009

A mi familia.
Para Cris.

Summary

This thesis aims at contributing to the incessant evolution of wireless communications. The
focus is on the design of medium access control (MAC) protocols for ad hoc and cooperative
wireless networks.
A comprehensive state of the art and a background on the topic is provided in a first
preliminary part of this dissertation. The motivations and key objectives of the thesis are also
presented in this part. Then, the contributions of the thesis are divided into two fundamental
parts.
The first part of the thesis is devoted to the design, analysis, and performance evaluation of
a new high-performance MAC protocol. It is the Distributed Queueing MAC Protocol for Ad
hoc Networks (DQMAN) and constitutes an extension and adaptation of the near-optimum
Distributed Queueing with Collision Avoidance (DQCA) protocol, designed for infrastructure-
based networks, to operate over networks without infrastructure. DQMAN introduces a new
access paradigm in the context of distributed networks: the integration of a spontaneous,
dynamic, and soft-binding master-slave clustering mechanism together with a high-performance
infrastructure-based MAC protocol. Theoretical analysis and computer-based simulation show
that DQMAN outperforms IEEE 802.11 Standard. The main characteristic of the protocol is that
it behaves as a random access control protocol when the traffic load is low and it switches
smoothly and automatically to a reservation protocol as the traffic load grows. In addition, its
performance is almost independent of the number of users of a network.
The random-access based clustering algorithm allows for the coexistence and
intercommunication of stations using DQMAN with the ones just based on the legacy IEEE
802.11 Standard. This assessment is also presented in this first part of the dissertation and
constitutes a key contribution in the light of the commercial application of DQMAN.
Indeed, the rationale presented in this first part of the thesis to extend DQCA and become
DQMAN to operate over distributed networks can be used to extend the operation of any other
infrastructure-based MAC protocol to ad hoc networks. In order to exemplify this, a case study
is presented to conclude the first part of the thesis. The Distributed Point Coordination Function
(DPCF) MAC protocol is presented as the extension of the PCF of the IEEE 802.11 Standard to
be used in ad hoc networks.
The second part of the thesis turns the focus to a specific kind of cooperative
communications: Cooperative Automatic Retransmission Request (C-ARQ) schemes. The main
idea behind C-ARQ is that when a packet is received with errors at a receiver, a retransmission
can be requested not only from the source but also to any of the users which overheard the
original transmission. These users can become spontaneous helpers to assist in the failed
transmission by forming a temporary ad hoc network. Although such a scheme may provide
cooperative diversity gain, involving a number of users in the communication between two
users entails a complicated coordination task that has a certain cost. This cost has been typically
neglected in the literature, assuming that the relays can attain a perfect scheduling and transmit
one after another. In this second part of the thesis, the cost of the MAC layer in C-ARQ
schemes is analyzed and two novel MAC protocols for C-ARQ are designed, analyzed, and
comprehensively evaluated. They are the DQCOOP and the Persistent Relay Carrier Sensing
Multiple Access (PRCSMA) protocols. The former is based on DQMAN and the latter is based
on the IEEE 802.11 Standard. A comparison with non-cooperative ARQ schemes
(retransmissions performed only from the source) and with ideal C-ARQ (with perfect
scheduling among the relays) is included to have actual reference benchmarks of the novel
proposals. The main results show that an efficient design of the MAC protocol is crucial in
order to actually obtain the benefits associated to the C-ARQ schemes.
Resumen

La presente tesis doctoral contribuye a la incesante evolución de las comunicaciones
inalámbricas. Se centra en el diseño de protocolos de acceso al medio (MAC) para redes ad hoc
y redes inalámbricas cooperativas.
En una primera parte introductoria se presenta un minucioso estado del arte y se establecen
las bases teóricas de las contribuciones presentadas en la tesis. En esta primera parte
introductoria se definen las principales motivaciones de la tesis y se plantean los objetivos.
Después, las contribuciones de la tesis se organizan en dos grandes bloques, o partes.
En la primera parte de esta tesis se diseña, analiza y evalúa el rendimiento de un novedoso
protocolo MAC de alta eficiencia llamado DQMAN (Protocolo MAC basado en colas
distribuidas para redes ad hoc). Este protocolo constituye la extensión y adaptación del
protocolo DQCA, diseñado para redes centralizadas, para operar en redes sin infraestructura. En
DQMAN se introduce un nuevo paradigma en el campo del acceso al medio para redes
distribuidas: la integración de un algoritmo de clusterización espontáneo y dinámico basado en
una estructura de master y esclavo junto con un protocolo MAC de alta eficiencia diseñado para
redes centralizadas. Tanto el análisis teórico como las simulaciones por ordenador presentadas
en esta tesis muestran que DQMAN mejora el rendimiento del actual estándar IEEE 802.11. La
principal característica de DQMAN es que se comporta como un protocolo de acceso aleatorio
cuando la carga de tráfico es baja y cambia automática y transparentemente a un protocolo de
reserva a medida que el tráfico de la red aumenta. Además, su rendimiento es prácticamente
independiente del número de usuarios simultáneos de la red, lo cual es algo deseable en redes
que nacen para cubrir una necesidad espontánea y no pueden ser planificadas.
El hecho de que algoritmo de clusterización se base en un acceso aleatorio permite la
coexistencia e intercomunicación de usuarios DQMAN con usuarios basados en el estándar
IEEE 802.11. Este estudio se presenta en esta primera parte de la tesis y es fundamental de cara
a una posible explotación comercial de DQMAN.
La metodología presentada en esta tesis mediante el cual se logra extender la operación de
DQCA a entornos ad hoc sin infraestructura puede ser utilizada para adaptar cualquier otro
protocolo centralizado. Con el objetivo de poner de manifiesto esta realidad, la primera parte de
la tesis concluye con el diseño y evaluación de DPCF como una extensión distribuida del modo
de coordinación centralizado (PCF) del estándar IEEE 802.11 para operar en redes distribuidas.
La segunda parte de la tesis se centra en el estudio de un tipo específico de técnicas
cooperativas: técnicas cooperativas de retransmisión automática (C-ARQ). La idea principal de
las técnicas C-ARQ es que cuando un paquete de datos se recibe con bits erróneos, se solicita
retransmisión, no a la fuente de datos, si no a cualquiera de los usuarios que escuchó la
transmisión original. Estos usuarios se convierten en espontáneos retransmisores que permiten
mejorar la eficiencia de la comunicación. A pesar de que este tipo de esquema puede obtener
diversidad de cooperación, el hecho de implicar a más de un usuario en una comunicación punto
a punto requiere una coordinación que hasta ahora ha sido obviada en la literatura, asumiendo
que los retransmisores pueden coordinarse perfectamente para retransmitir uno detrás de otro.
En esta tesis se analiza y evalúa el coste de coordinación impuesto por la capa MAC y se
identifican los principales retos de diseño que las técnicas C-ARQ imponen al diseño de la capa
MAC. Además, se presenta el diseño y análisis de dos novedosos protocolos MAC para C-
ARQ: DQCOOP y PRCSMA. El primero se basa en DQMAN y constituye una extensión de
este para operar en esquemas C-ARQ, mientras que el segundo constituye la adaptación del
estándar IEEE 802.11 para poder ejecutarse en un esquema C-ARQ. El rendimiento de estos
esquemas se compara en esta tesis tanto con esquemas no cooperativos como con esquemas
ideales cooperativos donde se asume que el MAC es ideal. Los resultados principales muestran
que el diseño eficiente de la capa MAC es esencial para obtener todos los beneficios potenciales
de los esquemas cooperativos.
Acknowledgments

Esta tesis nunca habría podido llegar a ser una realidad sin el soporte del Centre Tecnològic
de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC). Quiero agradecer a todo su equipo directivo por
creer en un programa de becas que me ha permitido obtener hoy el grado de doctor.

Quiero agradecer especialmente a mis directores de tesis, Christos Verikoukis y Luis
Alonso, por todo el tiempo que han dedicado durante estos cuatro últimos años para ayudarme a
conseguir acabar una tesis que en algunos momentos daba por perdida. Visto con perspectiva,
cada vez veo más claro que esto es una dura carrera de fondo y es necesario tener a alguien que
te aliente y te guíe para llegar hasta el final.

Por otro lado quiero agradecer a Elli Kartsakli y Alex Cateura por sus valiosas aportaciones
a la tesis. Con el DQ, ¡hasta el infinito y más allá! Del mismo modo, agradecer a Daniel Royo y
a Cristian Crespo por dejarse convencer para acabar sus respectivas carreras echándome una
mano con partes importantes de esta tesis.

Lo que he aprendido durante estos años ha sido una realidad, y lo digo en mayúsculas, en
parte gracias a la inspiración de Jesús Gómez y a la interminable paciencia de David Gregoratti
y al Dr. Nizar Zorba. Gracias por estar siempre con una sonrisa cuando venía a molestaros.

También quiero agradecer a todo el equipo humano del CTTC que ha hecho posible que el
desarrollo de esta tesis sea una agradable experiencia. Y en esto incluyo al CTTC Sports Team
con el que hemos vivido momentos de gloria…pocos, pero muy intensos.

Quiero agradecer a mi familia: mis padres, mis hermanos y mi abuela Tere por estar a mi
lado y permitirme seguir formándome a lo largo de los años. Sin sus esfuerzos y apoyo hoy no
estaría donde estoy.
También quiero agradecer a todos mis amigos más cercanos que han soportado mis quejas y
llantos durante todos estos años sobre lo duro que es ser becario. Sinceramente, espero que las
cosas cambien en el futuro y la elección de dedicarse a la investigación tenga un mejor
reconocimiento social y laboral. A todos los que estáis en esto, ánimo!

Y finalmente, quiero agradecer a Cris por estar siempre ahí y ayudarme en todos los
sentidos a acabar este proyecto. Espero que sigas a mi lado para ayudarme a seguir
conquistando mis metas en el futuro.

Por si me dejo a alguien, quiero agradecer a todo aquél que directa o indirectamente,
consciente o inconscientemente, ha contribuido para que esta tesis sea hoy en día lo que es.

I would like to finish these acknowledgments by expressing my gratitude to Jorge García-
Vidal, Ferran Adelantado, Stavros Toumpis, Marcos Katz, and Periklis Chatzimisios for taking
part of my Ph. D. Defence Committee.