Network-level cooperation: throughput, stability, and energy issues

Abstract

Cooperative communications help overcome fading and attenuation in wireless networks. Its main target is to increase the communication rates across the network and the reliability of time-varying links. It is known that wireless communications can benefit from the cooperation of nodes that overhear the transmissions. Most cooperative techniques studied so far have been on physical layer cooperation. The Network-Level cooperation is plain relaying without any physical layer considerations. There is evidence that network-level cooperation can achieve similar gains with physical-layer cooperation, and at the same time is simpler to implement. In the first part of the thesis, we study the impact of a relay node to a network with a finite number of users-sources and one destination node. We assume that the users have saturated queues and the relay node does not have packets of its own; we have random access of the medium and the time is slotted. The relay node stores a source packet that it receives successfully in its queue when the transmission to the destination node has failed. The relay and the destination nodes have multi-packet reception capabilities. We obtain analytical equations for the characteristics of the relays queue such as average queue length, stability conditions etc. We also study the throughput per user and the aggregate throughput for the network. We study both the cases of a half and a full-duplex relay. For the full-duplex relay, we also study the impact of self-interference on the stability, the throughput per user-source as well as the aggregate throughput. Furthermore, we evaluate the benefits of using one user of a two-user random access system to relay traffic of the other user. We introduce the notion of Network-Level Partial Relay Cooperation, and we prove that under certain conditions the optimum cooperation strategy for the relay is to partially cooperate. The second part of the thesis is devoted to energy harvesting wireless networks. We study the impact of energy constraints on a network with a source-user, a relay and a destination. This part studies the impact of energy harvesting on network-level cooperation. Specifically, we provide an exact characterization of the stability region. We also consider the concept of cognitive radio communication (with nodes with different energy constraints) in sharing a common wireless channel. Specifically, we give high-priority to the energy-constrained source-destination pair, i.e., primary pair, and low-priority to the pair which is free from such constraint, i.e., secondary pair. In contrast to the traditional notion of cognitive radio, in which the secondary transmitter is required to relinquish the channel as soon as the primary is detected, the secondary transmitter not only utilizes the idle slots of the primary pair but also transmits along with the primary transmitter with a given probability. We choose that probability to maximize the secondary pairs throughput. We obtain the two-dimensional maximum stable throughput region. The region is obtained for both cases in which the capacity of the battery at the primary node is limited or unlimited. Finally, we investigate the performance that can be achieved by exploiting path diversity through multipath forwarding together with redundancy through linear network coding, in wireless mesh networks with directional links. We capture the tradeoff between packet delay and throughput achieved by combining multipath forwarding and network coding, and compare this tradeoff with that of simple multipath routing where different flows follow different paths, the transmission of multiple copies of packets over multiple paths, and single path routing.

Η συνεργασία στις ασύρματες επικοινωνίες, συμβάλλει στο να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα της εξασθένισης και των διαλείψεων στο ασύρματο κανάλι. Ο κύριος στόχος είναι να αυξηθεί ο ρυθμός διαμεταγωγής σε ένα δίκτυο καθώς και η αξιοπιστία των χρονικά μεταβαλλόμενων ζεύξεων. Είναι γνωστό ότι οι ασύρματες επικοινωνίες μπορούν να επωφεληθούν από την συνεργασία ανάμεσα στους κόμβους λόγω της φύσης της ασύρματης μετάδοσης. Προς το παρόν η πλειοψηφία των τεχνικών συνεργασίας περιορίζεται στο φυσικό επίπεδο. Η συνεργασία σε επίπεδο δικτύου ορίζεται ως η απλή αναμετάδοση χωρίς καμιά ανάμιξη του φυσικού επιπέδου. Υπάρχουν ενδείξεις ότι ησυνεργασία σε επίπεδο δικτύου μπορεί να έχει παρόμοια οφέλη με την συνεργασία στο φυσικό επίπεδο, ταυτόχρονα όμως είναι πιο απλή στην υλοποίηση. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, μελετάμε την λειτουργία ενός κόμβου που αναμεταδίδει πακέτα από πολλούς χρήστες σε έναν προορισμό. Θεωρήσαμε την περίπτωση όπου ο αναμεταδότης δεν έχει δικά του πακέτα και απλά αναμεταδίδει πακέτα από τους χρήστες. Οι χρήστες έχουν κορεσμένες ουρές, η πρόσβαση στο ασύρματο κανάλι είναι τυχαία ενώ επιτρέπεται η ταυτόχρονη μετάδοση πολλαπλών πακέτων. Μελετήσαμε αναλυτικά την ευστάθεια στην ουρά του αναμεταδότη (δηλαδή τις συνθήκες για τις οποίες είναι φραγμένη). Μελετήσαμε αναλυτικά το ρυθμό διαμεταγωγής ανά χρήστη καθώς και τον συνολικό ρυθμό και βρήκαμε τις συνθήκες κάτω από τις οποίες ο αναμεταδότης προσφέρει όφελος στο δίκτυο. Ένα επίσης χρήσιμο αποτέλεσμα που προέκυψε από αυτήν την μελέτη είναι ο αριθμός των χρηστών που μεγιστοποιεί τον συνολικό ρυθμό διαμεταγωγής του δικτύου με τον αναμεταδότη. Το προηγούμενο είναι ένα θεωρητικό αποτέλεσμα αλλά με πολλές πρακτικές εφαρμογές, ειδικά για τους παρόχους ασύρματης πρόσβασης. Μελετήσαμε τις περιπτώσεις όπου ο αναμεταδότης μπορεί να μεταδίδει και να λαμβάνει ταυτόχρονα αλλά και την περίπτωση που δεν έχει αυτή την δυνατότητα. Στην περίπτωση όπου ο αναμεταδότης μπορεί να λαμβάνει και να στέλνει πακέτα ταυτόχρονα προκύπτει το πρόβλημα της αυτό-παρεμβολής (self-interference). Λαμβάνοντας υπόψη την αυτό-παρεμβολή μελετήσαμε αναλυτικά την ευστάθεια στην ουρά του αναμεταδότη, το ρυθμό διαμεταγωγής ανά χρήστη καθώς και τον συνολικό ρυθμό. Ορίσαμε την έννοια της μερικής συνεργασίας (με πιθανοκρατικούς όρους) σε επίπεδο δικτύου, δηλαδή όταν ένας κόμβος δεν συνεργάζεται πλήρως αλλά μερικώς με τους άλλους κόμβους του δικτύου και, αποδείξαμε ότι υπό συνθήκες η μερική συνεργασία είναι η βέλτιστη επιλογή όσον αφορά την περιοχή ευστάθειας και κατά συνέπεια την μέγιστη διαμεταγωγή. Η τοπολογία που μελετάμε αποτελείται από έναν χρήστη, έναν αναμεταδότη ο οποίος έχει την δική του κίνηση και έναν κοινό δέκτη. Ο αναμεταδότης εξαρτώμενος από διάφορες συνθήκες του δικτύου αποφασίζει αν θα συνεργαστεί ή όχι την τρέχουσα χρονική στιγμή ώστε να βοηθήσει τον χρήστη να μεταδώσει τα πακέτα που δεν φτάνουν απευθείας στον δέκτη. Οι συνθήκες που έχουν σημασία είναι η ένταση της κίνησης στους χρήστες καθώς και η ποιότητα των καναλιών μεταξύ των χρηστών και του δέκτη. Αποδείξαμε ότι ανάλογα με τις συνθήκες, η βέλτιστη στρατηγική συνεργασίας για τον αναμεταδότη είναι η μερική συνεργασία. Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζει στις ασύρματες επικοινωνίες με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (πράσινες επικοινωνίες). Πιο συγκεκριμένα μελετήσαμε την επίδραση της συνεργασίας σε επίπεδο δικτύου στην περιοχή ευστάθειας σε δίκτυα με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης μελετήσαμε την επίδραση των ανανεώσεων πηγών ενέργειας σε γνωστικά δίκτυα επικοινωνιών (cognitive networks) (όπου οι κόμβοι έχουν διαφορετικούς ενεργειακούς περιορισμούς και μοιράζονται ένα ασύρματο κανάλι). Μελετήσαμε ένα δίκτυο αποτελούμενο από δύο ζεύγη πηγής-προορισμού, όπου στο πρωτεύον (υψηλής προτεραιότητας) ζευγάρι ο πομπός έχει ενεργειακούς περιορισμούς ενώ στο δευτερεύον όχι. Ο πομπός με την χαμηλή προτεραιότητα μεταδίδει όταν ο άλλος παραμένει ανενεργός, ενώ όταν είναι ενεργός μεταδίδει με μια δοσμένη πιθανότητα. Επιλέγουμε αυτήν την πιθανότητα ώστε να μεγιστοποιηθεί ο ρυθμός διαμεταγωγής του δευτερεύοντος ζευγαριού και ταυτόχρονα να παραμένει ευσταθής ο κύριος μεταδότης. Επίσης καθορίζουμε πλήρως την περιοχή ευστάθειας του δικτύου. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής, προτείναμε μία τεχνική δρομολόγησης που συνδυάζει την Κωδικοποίηση Δικτύου (ΚΔ) με πλεονασμό σε πολλαπλά μονοπάτια, και ερευνήσαμε την απόδοση και την αξιοπιστία που μπορεί να επιτευχθεί με αυτήν την τεχνική. Πιο συγκεκριμένα μελετήσαμε το ισοζύγιο ανάμεσα στην καθυστέρηση λήψης πακέτου και την ταχύτητα διαμεταγωγής και έγινε σύγκριση με άλλες κλασσικές μεθόδους δρομολόγησης όπως: βέλτιστου μονοπατιού, πολλαπλών μονοπατιών, πολλαπλών μονοπατιών αλλά με την ίδια πληροφορία σε όλα (μέγιστη δυνατή πλεονάζουσα πληροφορία). Η μελέτη έγινε σε ασύρματα δίκτυα με μονοπάτια που δεν έχουν ούτε κοινές ζεύξεις αλλά ούτε και κοινούς κόμβους. Επιπλέον η αναμετάδοση των εσφαλμένων πακέτων γίνεται από την αρχή του κάθε μονοπατιού. Επίσης, μελετήσαμε την ΚΔ με πλεονασμό σε πολλαπλά μονοπάτια και σε πιο ρεαλιστικές τοπολογίες για ασύρματα δίκτυα. Πιο συγκεκριμένα στις τοπολογίες αυτές τα πολλαπλά μονοπάτια μπορούν να έχουν κοινούς κόμβους, και επιπλέον όταν συμβαίνει σφάλμα στη μετάδοση ενός πακέτου σε ένα μονοπάτι τότε η αναμετάδοση λαμβάνει χώρα από τον προηγούμενο κόμβο και όχι από τον αρχικό κόμβο του μονοπατιού.