Realistic PHY Modeling for Accurate Wireless Simulations

105 Pages·2013·1.66 MB·English

Technische Universita¨t Berlin
Realistic PHY Modeling for Accurate
Wireless Simulations
vorgelegt von
Mustafa Al-Bado (M.Sc.)
Von der Fakult¨at IV - Elektrotechnik und Informatik
der Technische Universit¨at Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Jean-Pierre Seifert, TU Berlin
Berichtende: Prof. Anja Feldmann, Ph.D., TU Berlin
Berichtender: Prof. Tom Henderson, Ph.D., the University of Washington
Berichtende: Prof. Cigdem Sengul, Ph.D., Oxford Brookes University
Berichtender: Dr. Ruben Merz, Ph.D., Swisscom
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 08.02.2013
Berlin 2013
D 83

Ich versichere von Eides statt, dass ich diese Dissertation selbst¨andig verfasst und
nur die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe.
Datum Mustafa Al-BAdo

1 Acknowledgements
This research work would not have been possible without the continuous support
and assistance of several people and groups.
MysuperviserAnjaFeldmann,whogavemetheopportunityandallpossiblesupport
to accomplish this research work. Cigdem Sengul, my advisor and close friend, with
whomIalwaysmadebrainstormingwheneverIfacedachallenge. MyadvisorRuben
Merz assisted and guided me to make the implementation part of this work feasible.
TomHendersonencouragedmeandoffered mesupporttomakethiswork applicable
and available publicly.
My colleagues in BOWL team led by Ruben Merz and Cigdem Sengul. Thomas
Huehn, Julius Schulz-Zander, Robin Kuck and Benjamin Vahl, helped me quite a
lot by maintaining and troubleshooting the testbed. In addition, they provided
me with very useful technical feedback. Additionally, Thorsten Fischer and Harald
Schioeberg gave me their full administrative support.
My colleagues in the INET group and the secretary.
My friends, Khaled Bathich, Akram Alkouz, Sadeq Abdelall, Haytham Al-sarrayrih
and Abdullah Al-Zaghameem.
My familly, especially with whom I shared my childhood as orphan and pushed me
up all the time; Maysa and Mahmmod.
ii/vi
Thesis: “Realistic PHY Modeling for Accurate Wireless Simulations”
iii/vi
Abstract
The importance of simulation has diminished in wireless networking despite the
advantages of simulation in developing and evaluating new protocols, such as re-
peatability and scalability. This is due to constant questioning of the validity of the
wireless simulation results by the wireless networking community. As an alterna-
tive, testbed evaluations, have become popular since they provide more confident
results. However, adopting this approach is typically more time consuming and
challenging.
This thesis takes a step forward in improving the confidence of simulating IEEE
802.11 wireless networks. To this end, we introduce a site-specific IEEE 802.11
Physical (PHY) layer model for wireless networks, which is representative of an ac-
tual testbed. It uses testbed measurements as input to the model. As the main
advantage of this model, we gain the ability to run realistic and repeatable experi-
ments.
The main contributions of this thesis are empirical propagation, frame error, frame
detection and interference models. These contributions are based on a thorough
analysis of which wireless parameters impact the accuracy of the simulation results.
Then, we evaluate their impact both at PHY and transport layers, in different
environments(indoorvs. outdoor)andset-ups(e.g., singleflow, multipleconcurrent
flows, multi-hop scenarios).
Ourresultsshow thatenvironmental conditions anddevice specifications have ama-
jor impact on the wireless communication. Moreover, the site-specific approach for
modeling wireless networks significantly improves the simulation results in compar-
ison to the typical simulation models.
Thesis: “Realistic PHY Modeling for Accurate Wireless Simulations”
iv/vi
Zusammenfassung
Die Bedeutung von Simulationen im Bereich drahtloser Netzwerke hat trotz ihrer
Vorteile wa¨hrend der Entwicklung und Evaluation neuer Protokolle abgenommen.
Zu den Vorteilen z¨ahlen unter anderem die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit
von Experimenten. Der Grund hierfu¨r liegt darin, dass die Gu¨ltigkeit von Ergeb-
nissen auf Basis simulierter, drahtloser Netzwerke innerhalb der Forschungsgemein-
schaft sehr kritisch betrachtet und nicht selten hinterfragt wird. Gleichzeitig haben
Evaluationen und Ergebnisse aus realen Testbeds an Bedeutung gewonnen. Allerd-
ings ist dieser Ansatz im Vergleich zu Simulationen sehr zeitintensiv und stellt im
Allgemeinen eine gro¨ßere Herausforderung dar.
DieseDissertationverbessertdieKonfidenzvonErgebnissenaufBasisvonSimulatio-
nen von IEEE 802.11 basierenden Netzwerken. Zu diesem Zweck entwickeln wir ein
ortsspezifischesModellderIEEE802.11physikalischenSchicht. DieEingangsparam-
eter unseres Modells basieren dabei auf Messergebnissen realer Testbeds. Dadurch
verbessern wir die F¨ahigkeiten von Simulationswerkzeugen, realistische und wieder-
holbare Experimente durchzufu¨hren.
Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit umfasst verschiedene Modellierungen:
empirischermittelte Wellenausbreitung, bertragungsfehler,FrameerkennungundIn-
terferenz. Der Entwicklung dieser Modelle geht unsere detaillierte Analyse voraus,
in der die Signifikanz verschiedener Parameter bezu¨glich der Simulationsgenauigkeit
untersucht werden. Dabei evaluierten wir deren Einfluss in verschiedenen Umge-
bungen (in Geba¨uden sowie im Außenbereich) unter Beru¨cksichtigung verschiedener
Szenarien (z.B. einzelne oder mehrere parallele Verkehrsstr¨ome, 1-hop oder multi-
hopVerbindungen)undbezu¨glichderphysikalischenNetzwerkschichtundderTrans-
portschicht.
Unsere Ergebnisse zeigen einen bedeutenden Einfluss von Umgebungsbedingungen
sowie Gera¨tespezifikationen auf die drahtlose Kommunikation auf. Im Vergleich zu
herk¨ommlichen Simulationsmodellen verbessert unsere ortsspezifische Modellierung
die Simulationsergebnisse von IEEE 802.11 basierenden Netzwerken signifikant.
Thesis: “Realistic PHY Modeling for Accurate Wireless Simulations”