University of Oulu

Enhancing the performance of ad hoc networking by lower layer design

Saved in:
Author: Prokkola, Jarmo
Organizations: University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Electrical and Information Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514289323
Language: English
Published: 2008
Publish Date: 2008-11-25
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Faculty of Technology of the University of Oulu, for public defence in Auditorium IT116, Linnanmaa, on December 5th, 2008, at 12 noon
Reviewer: Professor Todor Cooklev
Professor Frank H. P. Fitzek
Description:

Abstract

The research of early ad hoc-like networks, namely multi-hop packet radio networks, was mainly concentrated on lower layers (below network layer). Interestingly, the research of modern ad hoc networks has been mainly restricted to routing protocols. This is understandable, since routing is very challenging in such dynamic networks, but the drawback is that the lower layer models used in the studies are often highly simplified, giving inaccurate or even incorrect results. In addition, modern ad hoc network solutions are usually suboptimal because lower layers, not designed especially for ad hoc networking, are used. Thus, ad hoc networking performance, in general, can be notably enhanced by considering also the design of lower layers. The simple deployment and robustness make wireless ad hoc networks attractive for several applications (e.g., military, public authority, peer-to-peer civilian, and sensor networking), but the performance of the current solutions is typically not adequate.

The focus of this work is on the effects of lower layer functionalities on the performance of ad hoc networks, while also taking into account the effects of upper layers (e.g., the effect of application traffic models). A CDMA (Code Division Multiple Access) based dual channel flat ad hoc network solution, incorporating cross-layering between all three lowest layers, is proposed and analyzed. The main element of this is the Bi-Code Channel Access (BCCA) method, in which a common code channel is used for broadcast information (e.g., route discovery), while a receiver-specific code channel is used for all directed transmissions. In addition, a new MAC (Medium Access Control) solution designed for BCCA is presented. Moreover, a novel network layer spreading code distribution (NSCD) method is presented. The advantage of these methods is that they are designed especially to be used in ad hoc networks.

With an extensive set of case studies, it is shown that the presented methods outperform the typically used ad hoc network solutions (based on IEEE 802.11) in different kind of scenarios, environments, modeling concepts, and with different parameters. Detailed simulations are carried out in order to analyze the effects of different features at the lower layers, finding also interesting phenomena and dependencies between different layers. It is also shown that close attention should be paid to lower layer modeling even though the overall network performance would be in focus. In addition, various interesting features and behavior models regarding ad hoc networking are brought up.


Tiivistelmä

Ensimmäiset tutkimukset rakenteettomista (ad hoc) verkoista esiintyivät nimellä monihyppypakettiradioverkot, ja ne koskivat pääasiassa verkkokerroksen alapuolella olevia tietoliikennekerroksia, mutta nykyiset tutkimukset ovat kuitenkin keskittyneet pääasiassa reititysprotokolliin. Tämä on sikäli ymmärrettävää, että reititys on hyvin haasteellista tämän tyyppisissä dynaamisissa verkoissa, mutta ongelma on, että käytetyt alempien kerrosten mallit ovat usein hyvinkin yksinkertaistettuja, mikä voi johtaa epätarkkoihin tai jopa vääriin tuloksiin. Tämän lisäksi nykyiset ehdotetut rakenteettomien verkkojen ratkaisut ovat usein tehottomia, sillä käytettyjä alempien kerrosten ratkaisuja ei ole tarkoitettu tällaisiin verkkoihin. Niinpä rakenteettomien verkkojen suorituskykyä voidaan parantaa huomattavasti kiinnittämällä huomiota alempien kerrosten suunnitteluun. Verkkojen rakenteettomuus on ajatuksena houkutteleva useissa käyttökohteissa (esimerkiksi sotilasympäristössä, viranomaiskäytössä, käyttäjien välisissä suorissa yhteyksissä ja sensoriverkoissa), mutta suorituskyky ei useinkaan ole riittävällä tasolla käytännön sovelluksiin.

Työssä tutkitaan pääasiassa alempien kerrosten toiminnallisuuden vaikutusta rakenteettomien verkkojen suorituskykyyn ottaen huomioon myös ylemmät kerrokset, kuten sovellustason mallit. Työssä esitellään ja analysoidaan koodijakomonikäyttöön (CDMA, Code Division Multiple Access) perustuva kaksikanavainen tasaisen rakenteettoman verkon ratkaisu, jossa hyödynnetään kaikkien kolmen alimman kerroksen välistä keskinäistä viestintää. Ratkaisun ydin on BCCA-menetelmä (Bi-Code Channel Access), jossa käytetään kahta kanavaa tiedonsiirtoon. Yksi kanava on tarkoitettu kaikille yhteiseksi kontrollikanavaksi (esimerkiksi reitinmuodostus voi käyttää tätä kanavaa), kun taas toinen kanava on käyttäjäkohtainen kanava, jota käytetään suoraan viestittämiseen kyseiselle käyttäjälle (varsinainen data yms.). Tämän lisäksi esitellään myös BCCA-menetelmää varten suunniteltu kanavakontrollimenetelmä sekä verkkotasolla toimiva hajotuskooditiedon jakamiseen tarkoitettu menetelmä. Näiden uusien menetelmien etu on se, että ne on suunniteltu nimenomaan rakenteettomiin verkkoihin.

Kattavan testivalikoiman avulla osoitetaan, että esitetty uusi ratkaisu peittoaa tyypilliset IEEE 802.11 -standardiin pohjautuvat rakenteettomien verkkojen ratkaisut. Testeissä käytetään erityyppisiä verkkorakenteita, ympäristöjä, mallinnusmenetelmiä ja parametreja. Yksityiskohtaisissa simuloinneissa ajetaan eri testitapauksia ja selvitetään, miten alempien kerrosten eri menetelmät missäkin tapauksessa vaikuttavat suorituskykyyn. Alempien kerrosten mallinnuksessa on syytä olla tarkkana, sillä työssä käy ilmi, että mallinnusvirheillä voi olla suurikin vaikutus myös ylempien kerrosten suorituskykyyn. Työ myös paljastaa useita mielenkiintoisia ilmiöitä ja vuorovaikutussuhteita, jotka liittyvät tutkittujen menetelmien ja yleisesti rakenteettomien verkkojen toimintaan.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN-E: 1796-2226
ISBN: 978-951-42-8932-3
ISBN Print: 978-951-42-8931-6
Issue: 310
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.