Cooperative communications in multi-rate IEEE 802.11 networks

Abstract

Esta tese apresenta um estudo sobre alguns dos protocolos de cooperação MAC para redes sem fios utilizando o sistema IEEE 802.11 multi-débito. É proposto um novo modelo de arquitetura para a categorização e análise da cooperação em redes sem fios, tendo este modelo sido aplicado a protocolos cooperativos existentes para camada MAC. É investigado como as características do meio físico, assim como os requisitos de níveis superiores podem ser aplicados ao processo de cooperação, com vista a melhorar as características de funcionamento da rede de comunicações. Para este propósito são exploradas as métricas mais relevantes para o processo de cooperação. São igualmente estudados os limites impostos pelos protocolos da camada MAC e as limitações práticas impostas por protocolos da família de normas que compõem o IEEE 802.11. Neste trabalho foi criada uma métrica multicamada, que permite considerar os requisitos aplicacionais de performance e o tipo de tráfego, assim como a mobilidade dos dispositivos, no funcionamento dos mecanismos de cooperação. Como forma de validação, e para corretamente avaliar o impacto da métrica, um novo protocolo de cooperação foi desenvolvido e implementado. O seu funcionamento é descrito de forma analítica assim como validado através de a um ambiente de simulação. Os resultados obtidos mostram que a utilização de uma métrica multicamada é uma técnica robusta, fornecendo melhorias consistentes no contexto de redes IEEE 802.11. São igualmente demonstradas várias outras características de funcionamento com impacto para as comunicações. Estes dados fornecem uma visão real e encorajadora para a realização de mais pesquisas para a melhoria da performance dos protocolos cooperativos, assim como a sua utilização num variado número de aplicações futuras. No final do documento são apresentados alguns desafios para a continuação da investigação deste tópico.

This thesis presents a study on cooperative MAC protocols in Multi-rate IEEE 802.11 wireless networks. We proposed a novel architectural framework for cooperation algorithms in wireless network. This behavior model was considered for existing cooperative MAC protocols. A classification of these protocols was presented based on their cooperation objectives. We investigate how physical layer specifications and higher layer requirements can be applied in cooperation MAC protocols to enhance the overall network performance. For this purpose, we exploit the appropriate metrics which are consistent to the cooperation objectives. Performance bounds provided by MAC protocols and practical limitations posed by IEEE 802.11 standards have been also studied. A cross layer metric was achieved in cooperative MAC protocols to adapt cooperation performance to traffic service requirements and mobility scenario. In order to realize the impact of this metric, a new cooperative MAC protocol is designed and implemented. Analytical and simulation of this protocol was performed in different scenarios and environments. The obtained results have shown a robust technique in providing consistent cross layer optimization in context of IEEE 802.11 networks. A number of findings was experienced which are illustrated at the end. These observations would enhance and encourage potential research in the area and optimize the performance of cooperative protocols for a number of interesting applications in future. A summary of future research challenges is presented at the end.