Cross layer rate adaptation in wireless ad-hoc networks

Abstract

In a wireless network, with nodes sharing the same spectrum, each transmission is affected from, and affects, all other transmissions in range. When multiple uncoordinated links share a common medium the effect of interference is a crucial limiting factor for network performance. The general objective of this thesis is to present an in-depth analysis of how cross layer techniques can be used in the design and study of wireless ad hoc networks. We focus on finding how adapting various parameters of the telecommunication system can allow concurrent transmissions, minimize interference, enhance network throughput, maximize individual link data rates, and optimally utilize the network resources for all competing transmissions. Initially, we define and study the transmission rate regions for a simplified wireless network with a given degree of interference, considered as noise, and individual power constrains. We define the necessary conditions that maximize the system’s aggregate rate and provide criteria under which simultaneous link operation outperforms timesharing. We identify critical points in the rate region where higher aggregate rates can be achieved at the expense of higher power expenditure. We show the relation between the maximum achieved rate and transmission power in case of light and strong interference. Then, we study the interference exhibited at the center of a circular networking area when interfering nodes are randomly distributed or have specific network topology. We define the interference limited communication range to be the critical communication region around a receiver, within which a successful communication link can be formed. We study how interference levels and the interference limited communication range values are affected by the number of the surrounding interfering transmitters, the path loss exponent and most importantly on the selected rate of operation. Finally, we study the multicast throughput of a group and show that it does not depend on the transmission rate when the path loss exponent is equal to two but it increases with the transmission rate when the path loss exponent is greater than two. For the simple case of two multicast transmitters our results demonstrate that there exists a specific transmission rate and a corresponding percentage of successful receivers that maximizes the multicast throughput.

Οι κόμβοι ενός ασύρματου δικτύου διαμοιράζονται το ίδιο τμήμα του φάσματος και κατά συνέπεια κάθε μετάδοση επηρεάζει και επηρεάζεται από όλες τις υπόλοιπες μεταδόσεις που λαμβάνουν χώρα. Οι παρεμβολές που εμφανίζονται σε ένα διαμοιραζόμενο μέσο εξαιτίας των ασυντόνιστων προσπελάσεων των κόμβων του δικτύου είναι ένας σημαντικός περιοριστικός παράγοντας της απόδοσης του δικτύου. Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάλυση των τρόπων χρήσης διαστρωματικών τεχνικών στη μελέτη και σχεδίαση αποδοτικών ασύρματων δικτύων ad-hoc με σκοπό την δυνατότητα. Εστιάζουμε στην επίδραση που έχουν διάφορες παράμετροι του τηλεπικοινωνιακού συστήματος, ώστε να επιτυγχάνονται ταυτόχρονες μεταδόσεις, να μειώνονται οι παρεμβολές, να αυξάνεται η διαπερατότητα του δικτύου, να μεγιστοποιείται ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων. Αρχικά μελετάμε τις περιοχές μεταβολής του ρυθμού μετάδοσης σε ασύρματο δίκτυο δύο ζεύξεων οι οποίες αλληλοπαρεμβάλλονται. Καθορίζουμε τις αναγκαίες συνθήκες που μεγιστοποιούν το συνολικό ρυθμό μετάδοσης του συστήματος. Παρέχουμε κριτήρια για το πότε η ταυτόχρονη λειτουργία των ζεύξεων είναι προτιμότερη από τη ενεργοποίηση τους σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Δείχνουμε τη σχέση μεταξύ του μέγιστου επιτυγχανόμενου ρυθμού μετάδοσης και της ισχύος εκπομπής στην περίπτωση χαμηλής ισχύος και ισχυρής παρεμβολής. Στη συνέχεια μελετάμε την παρεμβολή ενός δέκτη που βρίσκεται στο κέντρο μίας κυκλικής περιοχής, όταν οι κόμβοι που δημιουργούν παρεμβολές είναι τυχαία κατανεμημένοι στο χώρο. Ορίζουμε την «περιορισμένη λόγω παρεμβολών εμβέλεια» ως την κρίσιμη περιοχή γύρω από το δέκτη μέσα στην οποία μπορούμε να έχουμε επιτυχώς μία ζεύξη επικοινωνίας. Προτείνουμε ένα μοντέλο, το οποίο περιγράφει τις επιδράσεις που έχουν το πλήθος των πομπών που δημιουργούν παρεμβολές, ο εκθέτης απωλειών και ο ρυθμός μετάδοσης στα επίπεδα παρεμβολής και στο μέγεθος της περιοχής αυτής. Τέλος μελετάμε τη διαπερατότητα πολυεκπομπής και αποδεικνύουμε ότι δεν εξαρτάται από το ρυθμό μετάδοσης για εκθέτη απωλειών μεγαλύτερο του δύο. Δείχνουμε ότι προσαρμόζοντας το ρυθμό μετάδοσης μπορούμε να ελέγξουμε το πλήθος των δεκτών που λαμβάνουν επιτυχώς μία μετάδοση πολυεκπομπής. Για την απλή περίπτωση δύο πολυεκπομπών που αλληλοπαρεμβάλλονται βρίσκουμε το ρυθμός μετάδοσης και το αντίστοιχο ποσοστό δεκτών που μεγιστοποιούν τη διαπερατότητα πολυεκπομπής.