Cross-layer bandwidth management and optimization in TDMA based wireless mesh networks using network coding [Elektronische Ressource] / von Parag S. Mogre

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2010
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Cross-Layer Bandwidth Management and Optimization in TDMA Based
Wireless Mesh Networks using Network Coding
Vom Fachbereich
Elektrotechnikund Informationstechnik
der TechnischenUniversität Darmstadt
zur ErlangungdesGrades eines
Doktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigte
Dissertationsschrift
von
ParagS.Mogre, M. Tech.
Geboren am 11.09.1979,Mumbai, Indien
Erstreferent:Prof. Dr.-Ing. Ralf Steinmetz
Korreferent: Prof. Dr. Albert Banchs
Korreferent:Prof. Dr.-Ing. MatthiasHollick
Tag der Einreichung:21.05.2010
Tag derDisputation:08.07.2010
Darmstadt,2010
HochschulkennzifferD17Cross-LayerBandwidth
Managementand
OptimizationinTDMABased
WirelessMeshNetworks
usingNetworkCoding
ZurErlangungdesGradeseinesDoktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigteDissertationvonParagS.Mogre, M.Tech.,geborenam11.09.1979, Mumbai,Indien
2010 –Darmstadt–D17
FachbereichElektrotechnik
undInformationstechnik
FachgebietMultimediaKommunikation
Prof.Dr.-Ing.Ralf SteinmetzCross-Layer Bandwidth Management and Optimization in TDMA Based Wireless Mesh Networks
usingNetworkCoding
genehmigte Dissertation von Parag S. Mogre, M. Tech., geboren am 11.09.1979, Mumbai, In-
dien
TagderEinreichung:21.05.2010
TagderDisputation:08.07.2010
Erstreferent:Prof.Dr.-Ing.RalfSteinmetz
Korreferent:Prof.Dr.AlbertBanchs
Korreferent:Prof.Dr.-Ing.MatthiasHollick
TechnischeUniversitätDarmstadt
FachbereichElektrotechnikundInformationstechnik
FachgebietMultimediaKommunikation(KOM)
Prof.Dr.-Ing.RalfSteinmetzZusammenfassung
Drahtlose Mesh-Netze(WirelessMesh Networks - WMN) stelleneine neue Netzarchitekturdar,
um die Abdeckung von Breitbandnetzen zu niedrigen Investitionskostenzu erhöhen. Die Bere-
itstellungvon Dienstgüte(Quality of Service - QoS) ist notwendig, um in WMN anspruchsvolle
Multimediaanwendungenzu ermöglichen.Diesmuss Ende-zu-EndeimWMN erfolgen undden
dort eingesetzten Multihop-Routingverfahren Rechnung tragen. Hierzu ist die Unterstützung
von QoSfürdenMedienzugriff(MediumAccessControl-MAC)unabdingbar.Diesmanifestiert
sich in aktuellen Standardisierungsbemühungen, die Technologien zur QoS-Unterstützung auf
MAC-Ebene vorschlagen: Der Mesh-Modus von IEEE 802.16, der Mesh Deterministic Access
(MDA) Modus von IEEE802.11s sowie WirelessHART aus dem Bereich der drahtlosenSensor-
netzestellenausgewählteBeispielehierfürdar.DiesenTechnologiengemeinsamistdieNutzung
von Time Division Multiple Access/Time Division Duplex (TDMA/TDD) um eine explizite Re-
servierung von Bandbreite zur Datenübertragung für individuelle Verbindungen im WMN zu
ermöglichen.DiegenanntenTechnologienermöglichendieUnterstützunganspruchsvollerMul-
timediakommunikationundsinddamitattraktivausSichtvonNetzbetreibern,diedurchWMN-
ErweiterungendieNetzabdeckungundLeistungsfähigkeitihrerexistierendenkabelgebundenen
oderkabellosenInfrastrukturenerhöhenkönnen,ohnedassdeutlichhöhereInvestitioneninIn-
frastrukturkomponenten erforderlichwerden.
Die in drahtlosen Mesh-Netzen verfügbare Bandbreite ist beschränkt. Mit Network Coding
wurde jüngst ein Verfahren vorgestellt, das signifikante Bandbreiteneinsparungen verspricht
unddamitdieNetzkapazitätvonWMNdeutlicherhöhenkann.NebentheoretischenArbeitenzu
Network Coding existieren erste praktische Ansätze, um dieses Verfahren in WMN einzusetzen
und die real erzielbaren Leistungsgewinnezu untersuchen.BisherigeArbeiten basieren auf der
weit verbreiteten IEEE 802.11-Technologie; entsprechende Untersuchungen in reservierungs-
basierten WMN auf Basis von TDMA/TDD existierenbisher nicht. Angesichtsdes hohen Poten-
tialsreservierungsbasierterWMN, dieerstGarantien für anspruchsvolleMultimediaanwendun-
gen ermöglichen, erscheint es vielversprechend, Network Coding in der genannten Netzklasse
eingehendzu untersuchen.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass existierende, paketbasierte Verfahren des Network Cod-
ings in reservierungsbasierten WMN auf Basis von TDMA extrem ineffizient sind. Es werden
Designkriterienfür Network Coding in entsprechendenWMN hergeleitet.Basierend auf diesen
Kriterien wird ein neues Paradigma für Network Coding, das sogenannte „Datenstrom-basierte
Network Coding”(Stream-oriented Network Coding - SONC), vorgeschlagen.
SONC trifft Codierungsentscheidungen auf der Basis von Datenströmen (streams). Hierbei
wird ein Datenstrom als Folge von Datenpaketen an einem Netzknoten, der als Relay agiert,
definiert. Diese Datenpakete besitzen jeweils gemeinsame Vorgänger- und Nachfolgerknoten.
Die Operation auf Datenströmen lässt einen günstigeren Reservierungsaufwand entstehen, da
immer ein Strom von Paketen codiert wird. In der Arbeit wird analysiert, wie mögliche und
vielversprechende Codierungskonstellationen erkannt werden können und es werden Mecha-
nismen vorgestellt, mit denen diese umgesetzt werden können. SONC nutzt hierzu verteilte
MechanismenundeinenschichtenübergreifendenAnsatz.Diesermöglicht,dassSONCimWMN
umgesetzt werden kann, wenn die einzelnenKnoten ausschließlichlokale Statusinformationen
zur Verfügung haben. Unter Hinzunahme WMN-globaler Statusinformationen kann die Effek-
tivität von SONC weiter erhöht werden.InderzweitenHälftederArbeitwirdeineentsprechendezentraloptimierteRouting-Erweiterung
(Centrally Optimized Routing Extension - CORE) vorgestellt. Diese erweitert bestehende Rout-
ingverfahren in WMN, um gezielt Codierungsmöglichkeiten für SONC herbeizuführen. CORE
arbeitet schichtenübergreifend in enger Abstimmung mit SONC. Hierbei erlaubt CORE dem
Netzbetreiber,denmaximalenBerechnungsaufwandvorzugebenundermöglichtdamitdenBe-
trieb nahezu in Echtzeit. Dies ermöglicht den Einsatz von CORE in realistischen Netzen mit
dynamischenVerkehrsanforderungen.
Um die Machbarkeit der entwickelten Lösungsansätze zu zeigen, wurden alle beschriebe-
nen Verfahren im Kontext des Mesh-Modus des IEEE 802.16-Standard prototypisch umgesetzt.
IEEE 802.16 wurde stellvertretendfür die Klasse der TDMA- und reservierungsbasiertenWMN
gewählt, dieentwickeltenLösungen sindübertragbarauf gleichartigeTechnologien.Die Ergeb-
nisse der umfangreichen experimentellen Evaluation zeigen, dass signifikante Bandbreiten-
ersparnisse realisiert werden können und somit die Netzkapazität erhöht werden kann, wenn
CORE undSONC zum Einsatzkommen.
iiAbstract
Wireless Mesh Networks (WMNs) provide a novel network architecture to extend broadband
network coverage with low costs. Additionally, we see an increased interest in supporting de-
mandingmultimediaapplicationsinnext-generationwirelessmeshnetworks.ProvisionofQual-
ity of Service (QoS) in wirelessmesh networks requires end-to-endsupport for routing packets
via a suitable multihop route to the destination. However, in wireless mesh networks, if the
medium access control layer does not support mechanisms for QoS support at a per-link level,
all efforts for providingend-to-endQoSare futile.Hence, we seea trendtowards standardsfor
wireless mesh networks which support QoS at the Medium Access Control (MAC) level on a
per-linkbasis.TheIEEE802.16standard’smeshmodeofoperation,theIEEE802.11sMeshDe-
terministic Access (MDA) mode of operation, and upcoming sensor network standards such as
the Wireless HART standard, support MAC layer QoS mechanisms. A common feature of these
standards is the use of Time Division Multiple Access/Time Division Duplex (TDMA/TDD) for
supporting QoS, by enabling the explicit reservation of bandwidth for data transmissions on
individuallinksin the wirelessmesh network. Thishas enabled thesetup of wirelessmesh net-
works which are able to support hard QoS guarantees, and are thus viable for supporting the
highly demanding multimedia traffic which can be expected in such networks in future. This,
makeswirelessmeshnetworksusingsuchstandardsattractivefornetworkoperatorswhowant
to extend the reach of their current wired networks, as well as cellular wireless networks to
support additional traffic, and at the same time not incur exorbitant additional costs for the
infrastructuresetup.
However, the bandwidth in such wireless mesh networks still remains a scarce resource. Re-
cently,networkcodinghasbeeninvestigatedasanovelmechanismtopermitthesavingofvalu-
ablebandwidthinsuchwirelessmeshnetworksforindividualtransmissions,therebyincreasing
the traffic carrying capacity of thewireless mesh networks significantly.Beginningfrom mainly
theoreticalwork,recentlywehavealsoseenanefforttoinvestigatethepracticalgainswhichcan
beobtainedviadeploymentofnetworkcodinginwirelessmeshnetworks.However,to-date,the
practical investigations for deployment of network coding have been limited to wireless mesh
networks based on the IEEE 802.11 standard. There have been no significant investigationson
the deployment of network coding, and its benefits, in TDMA/TDD based multihop wireless
mesh networks. Given, however, the fact that the next generation of wireless mesh networks
would be using bandwidth reservation schemes to support advanced multimedia services, it is
vitalthatnetworkcodingbeinvestigatedinthelightofsuchwirelessmeshnetworks.Thiswork
bridgestheabove gap.
Inthisthesiswefirstdemonstratethatcontemporarypacket-by-packetapproacheston