Efficient data transport in cellular multi-hop networks [Elektronische Ressource] / Hans-Martin Zimmermann

Hans-Martin Zimmermann

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 18
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

TechnischeUniversitätMünchen
LehrstuhlfürKommunikationsnetze
Efficient Data Transport in Cellular
Multi-Hop Networks
Hans-MartinZimmermann
VollständigerAbdruckdervonderFakultätElektrotechnikundInformationstechnik
derTechnischenUniversitätMünchenzurErlangungdesakademischenGradeseines
Doktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigtenDissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. techn. JosefA.Nossek
PrüferderDissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. JörgEberspächer
2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. ThomasBauschert,
TechnischeUniversitätChemnitz
Die Dissertation wurde am 28.08.2008 bei der Technischen Universität München ein-
gereichtunddurchdieFakultätfürElektrotechnikundInformationstechnikam25.06.2009
angenommen.Abstract
Future mobile communication is characterized by targeted data rates in the gigabit
range. One possible technical realization of these high data rates includes the reduc-
tion of the physical distance between transmitter and receiver by the introduction of
relaystations. Thisthesisinvestigatesanewnetworkarchitecture,whereagivencel-
lularnetworkisenhancedbyfixedrelaystations. Thethesisprovidesaframeworkto
combinetheclusteringprocessofthenewnetworkintocellsandthebalancingofload
among different cells. It examines routing strategies to enable the handover process
betweenstationsofthesamecellwithrespecttotheirresourceefficiencyandfeasibil-
ity. Thethesisfinallyanalyzes,whethertheapplicationofnetworkcodingincellular
multi-hop networks is reasonable. The compatibility to existing standards and the
preservationofservicequalityareimportantconstraintstothenewoverallconcept.
Zusammenfassung
DieErhöhungderDatenrateisteineHerausforderungfürzukünftigeMobilfunknetze.
DieVerringerungderphysikalischenDistanzzwischenSenderundEmpfängerdurch
den Einsatz von drahtlosen Relaisstationen ist dazu ein möglicher Ansatz. Die vor-
liegende Arbeit präsentiert Lösungsvorschläge, wie eine mit Relaisstationen erweit-
erte Netzarchitektur dynamisch in Zellen untergliedert und dabei ein Lastenausgle-
ich zwischen den Zellen erzielt werden kann. Darüber hinaus werden verschiedene
Routing-Ansätze, welche den Handover von Nutzern zwischen den Sendestationen
einerZelleermöglichen,aufRessoureneffizienzundRealisierungspotenzialhinunter-
sucht. Eine Analyse, inwiefern Network Coding als Transporttechnik in der gegebe-
nen Architektur sinnvoll angewendet werden kann, rundet die Arbeit ab. Die Kom-
patibilität zum existierenden Standard und der Erhalt der bestehenden Dienstgüte
stellenwichtigeRandbedingungenfürdasneueGesamtkonzeptdar.Preface
The outcome of any serious research can only
be to make two questions grow, where only one
grewbefore.
—ThorsteinVeblen,economistandsociologist
ThisdoctoralthesisistheresultofseveralyearsofresearchattheInstituteofCommu-
nicationNetworksattheTechnischeUniversitätMünchen. Iwanttothankprimarily
Prof. Dr.-Ing. JörgEberspächerforhisguidance,hissupport,hisencouragement,and
also his critical analysis over the last years. Furthermore, I would like to thank Prof.
Dr.-Ing. Thomas Bauschert for his efforts as second examiner and Prof. Dr. techn.
JosefA.Nossekaschairmanoftheexaminationboard. Similarly,IthankProf. Dr.-Ing.
Eckehard Steinbach for the successful cooperation in the organization of the student
exchange programs. I also appreciated the helpful hands of Dr.-Ing. Martin Maier
andSabineStraußinadministrativeissues,whichsavedmealotoftimeanddiscour-
agement in the daily work routine. I really enjoyed working at the institute, which
is a result of the collegial spirit. So, I want to say thank to all my current and former
colleagues for the interesting talks, useful hints, and gentle gestures in daily work.
Particularly, I want to mention my fellows of the Mobile Communications Group,
StephanEichler,JanEllenbeck,UlrikeKorger,SilkeMeister,RobertNagel,andRobert
Vilzmann. I want to thank all of them for the fruitful discussions and helpful com-
ments concerning this work. Special appreciation is due to my longstanding office
colleagueDr.-Ing. ChristianHartmannforhispatience,hisgentlehumor,andhissci-
entificexpertise. Concerningmyformercolleagues,I’mespeciallythankfultoDr.-Ing.
IngoGruberforhisinitialguidanceinmyprojectandtoDr.-Ing. ClausGruberforthe
development and friendly provisioning of GRAPH library. Apart from that, I thank
Rafael Blanco, Florian Franz, Simon Schubert, and Alexander Seitz in place of all my
studentsfortheircommitmentandgreatsupport.
The excellent cooperation with my former research project partners Rüdiger Half-
mannandDr.-Ing. MatthiasLottfromNokiaSiemensNetworksGmbHandMichael
Einhaus from RWTH Aachen within the research project Wireless Gigabit With Ad-
vanced Multimedia Support (WIGWAM) funded by the German Ministry of Educa-
tionandResearchhasbroughtupmanyideas,whichareincludedinthisthesis.
IthankmytemporarysupervisorDr. Ying-ChangLiangandmygentleofficesmates
Lijuan Geng and Yiyang Pei, representatively for all other colleagues at the Institute
forInfocommResearchinSingapore. Ireallyappreciatedtheirhospitality,innovative
ideas,andhelpfuldiscussions.
Last, but not least, I thank my family and friends, which accompanied my work, for
theirunconditionalsupport,theirkindcomprehension,andtheirfriendlyencourage-
ment. Thankyouverymuch.
München,August2008 Hans-MartinZimmermannContents
List of Figures ix
List of Tables xiii
1. Introduction 1
1.1. DataTransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. OverviewoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Cellular Multi-Hop Networks — An Overview 9
2.1. CellularMulti-HopNetworkswithintheNetworkFamily . . . . . . . . 9
2.2. ClassificationandDefinitionofCellularMulti-HopNetworks . . . . . . 11
2.3. TheDesignofMulti-HopNetworks—SomeGeneralObservations . . . 14
2.3.1. Coverage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2. SpectralEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.3. CapitalandOperationalExpenditures . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.4. SeamlessHandoverinNetworkswithSmallCellSize . . . . . . . 18
2.3.5. CapacityofCellularMulti-HopNetworks . . . . . . . . . . . . . 20
2.4. ArchitectureofaCellularMulti-HopNetwork . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.1. CellularMulti-HopasanExtensionofLTESystemArchitecture . 26
2.4.2. SystemAssumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5. Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.1. GraphTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.2. NumericalOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.3. Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3. Dynamic Cell Clustering in Cellular Multi-Hop Networks 37
3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3. RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.1. LoadBalancinginCellularNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.2. ClusteringinWirelessMulti-HopNetworks . . . . . . . . . . . . 45
3.3.3. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4. AConceptionalStudyofFeasibilityandImpactsofDynamicCellClus-
tering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.1. SystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.2. NumericalOptimizationbasedonGlobalKnowledge . . . . . . . 52
vContents
3.4.3. GreedyAlgorithmbasedonLocalKnowledge . . . . . . . . . . . 55
3.4.4. SimulativeStudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5. TowardsaReasonableProtocolStack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.1. PreliminaryThoughtsontheImplementation . . . . . . . . . . . 68
3.5.2. CentralizedApproachwithNumericalOptimization . . . . . . . 69
3.5.3. DecentralizedandHybridApproachwithGreedyAlgorithm . . 70
3.5.4. SimulativeStudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4. Intra-Cell Routing in Cellular Multi-Hop Networks 77
4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3. RelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.1. RoutingProtocolsforWiredNetworks . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.2. RoutingProtocolsforWirelessNetworks . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.3. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4. InfluenceofRoutingMetricsonResourceDemand . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.1. SystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.2. OptimumSolutiontotheRoutingProblem . . . . . . . . . . . . . 88
4.4