Performance optimization of wireless infrastructure and mesh networks [Elektronische Ressource] / Jan Rastin Pries

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 19
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Verteilte Systeme
Prof. Dr. P. Tran-Gia
Performance Optimization of Wireless
Infrastructure and Mesh Networks
Jan Rastin Pries
Würzburger Beiträge zur
Leistungsbewertung Verteilter Systeme
Bericht 01/10Würzburger Beiträge zur
Leistungsbewertung Verteilter Systeme
Herausgeber
Prof. Dr. P. Tran-Gia
Universität Würzburg
Institut für Informatik
Lehrstuhl für Verteilte Systeme
Am Hubland
D-97074 Würzburg
Tel.: [phone]
Fax.: [phone]
email: [e-mail]
Satz
Reproduktionsfähige Vorlage vom Autor.
AGesetzt in LT X Computer Modern 9pt.E
ISSN 1432-8801Performance Optimization of Wireless
Infrastructure and Mesh Networks
Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Julius–Maximilians–Universität Würzburg
vorgelegt von
Jan Rastin Pries
aus
Itzehoe
Würzburg 2010Eingereicht am: 21.12.2009
bei der Fakultät für Mathematik und Informatik
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. P. Tran-Gia
2. Gutachter: Prof. Y. Koucheryavy, PhD
Tag der mündlichen Prüfung: 12.02.2010Danksagung
Die vorliegende Arbeit ist das Ergebnis fünfjähriger Forschung im Bereich der
drahtlosen Kommunikationsnetze. Auch wenn ich über die Technik der draht-
losen Kommunikation geschrieben habe, ist für mich persönlich das Wichtigste
immer noch die persönliche, zwischenmenschliche Kommunikation. Diese Ar-
beit wäre nicht ohne die tatkräftige Unterstützung und die zahlreichen Diskussio-
nen mit denjenigen Personen möglich gewesen, denen ich im Folgenden danken
möchte.
Mein herzlichster Dank geht an meinen Doktorvater und Betreuer dieser Ar-
beit, Prof. Dr.-Ing. Phuoc Tran-Gia. Seiner unermüdlichen Unterstützung meiner
Forschung und den vielen Diskussionen habe ich diese Arbeit zu verdanken.
Dabei kam die Menschlichkeit von Prof. Tran-Gia nie zu kurz, was auch der
Grund für das sehr gute und kollegiale Klima am Lehrstuhl ist. Dieses Klima
wurde durch zahlreiche gemeinsame Dienstreisen ins In-und Ausland und die
Eigenverantwortung bei Klein- und Großprojekten weiter gefördert und führten
zu einer sehr hohen Motivation. Dabei stellte Prof. Tran-Gia häufig den Kon-
takt zwischen hochrangigen Wissenschaftlern und mir her, wodurch ich nicht
nur meine eigene Arbeit besser einschätzen konnte, sondern wodurch sich auch
gemeinsame Veröffentlichungen ergeben und Freundschaften entwickelt haben.
This leads me to the second reviewer of my thesis, Prof. Yevgeni Koucheryavy,
whom I got to know and to appreciate during one of my business trips and whom I
like to express my deep gratitude for the suggestions and comments on my thesis.
Danken möchte ich auch Prof. Dr. Dietmar Seipel und Prof. Dr. Reiner Kolla, die
mir als Prüfer bei meiner Disputation auf den Zahn gefühlt haben.
iDanksagung
Meine Arbeit am Lehrstuhl wurde aber vor allem von Frau Gisela Förster er-
leichtert, die durch ihre intensive Unterstützung bei der Verwaltungsarbeit, vor
allem beim Projekt G-Lab, mir viel Aufwand erspart hat. Weiterhin möchte ich
mich bei Dr. Gerald Kunzmann, Dr. Nico Bayer, Dr. Matthias Siebert, Dr. Alexey
Vinel, Dr. Tuo Liu und Prof. Dr. Nguyen Huu Thanh für die gute Zusammenar-
beit in den Forschungsprojekten bedanken. Zusätzlich gab es immer wieder mit
vielen weiteren Kollegen aus den Projekten G-Lab, Euro-NF, France Telecom,
EADS, Datev und Bertelsmann Arvato rege Diskussionen, die mir ein erfolgre-
iches wissenschaftliches Arbeiten ermöglicht haben.
Mein besonderer Dank geht an Dr. Dirk Staehle, der mir mit fortwährender
Geduld immer neue Lösungsansätze aufgezeigt hat und mir während meiner
Promotionszeit nicht nur fachlich, sondern auch privat stets beiseite stand.
Neben Dr. Dirk Staehle möchte ich mich natürlich bei meinen anderen Kol-
legen, allen voran Robert Henjes, bedanken. Nur durch das Miteinander aller
am Lehrstuhl kann erfolgreich gearbeitet werden. Deshalb möchte ich an dieser
Stelle den folgenden Kollegen und ehemaligen Kollegen meinen aufrichtigen
Dank aussprechen: Dr. Andreas Binzenhöfer, Michael Duelli, Matthias Hart-
mann, Dr. Klaus Heck, Robert Henjes, Matthias Hirth, David Hock, Dr. Tobias
Hoßfeld, Michael Jarschel, Alexander Klein, Dominik Klein, Dr. Stefan Köhler,
Frank Lehrieder, Dr. Kenji Leibnitz, Dr. Andreas Mäder, Dr. Rüdiger Martin,
Dr. Michael Menth, Dr. Jens Milbrandt, Simon Oechsner, Prof. Dr. Oliver Rose,
Daniel Schlosser, Barbara Staehle, Dr. Dirk Staehle, Prof. Dr. Kurt Tutschku, Dr.
Norbert Vicari, Florian Wamser und Thomas Zinner. Obwohl Florian Zeiger und
Markus Sauer an einem anderen Lehrstuhl, bzw. am Telematikzentrum arbeiten,
zähle ich sie zum Lehrstuhl III hinzu und möchte mich auch bei Ihnen für die
unzähligen Abende und gemeinsamen Urlaube bedanken.
Besonders wichtig für meine Arbeit war auch die Hilfe meiner Diplomanden
nötig gewesen. Diese sollen natürlich nicht ungenannt bleiben: Alexander Klein,
Matthias Wiesen, Daniel Marsico, Thorsten Gutbrod, Stefan Menth, David Hock,
Marieta Stoykova, Korhan Canbolat, Florian Wamser, Viktor Wendel, Matthias
Hirth und Desheng Fu. Es ist schön zu sehen, dass fünf der ehemaligen Diplo-
iiDanksagung
manden mittlerweile promovieren. Zusätzlich möchte ich mich bei alle Studenten
bedanken, die mich bei der Projektarbeit und der Betreuung von Vorlesungen un-
terstützt haben.
Zum Schluss möchte ich mich ganz besonders bei meiner Familie bedanken,
meiner Mutter Berte Pries, meiner Oma Margarete Pries, meinem Vater Rolf
Pries und seiner Frau Ursula, sowie meinem Bruder Gerrit Pries und seiner Frau
Yvonne. Ohne deren finanzieller und moralischer Unterstützung während des
Studiums und der Promotionszeit wäre diese Arbeit nicht zustande gekommen.
Meinen tiefsten Dank möchte ich meiner Partnerin Anne Loosen aussprechen,
die mir trotz aller eigener Aufgaben und trotz vieler einsamer Abende während
meiner unzähligen Dienstreisen und Abende am Lehrstuhl stets beiseite ges-
tanden hat.
iiiContents
1 Introduction 1
1.1 Scientific Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Outline of Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Performance Evaluation and Optimization of Infrastructure
Networks 9
2.1 Background: The WLAN Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1 Network Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Physical Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 Medium Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Unfairness in Infrastructure Networks . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2 Introduction to the Unfair Channel Access Phenomenon . 27
2.2.3 Unfairness of the DCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.4 Unfairness of the EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3 Dynamic Contention Window Adaptation . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.2 DCWA Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.3 DCWA Parameter Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.4 Performance of the DCWA Algorithm . . . . . . . . . . 59
2.4 Impact of Best Effort Frame Bursting . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
vContents
2.4.2 Throughput Improvement Through Frame Bursting in a
Saturated Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.3 Impact of Frame Bursting in a Realistic Scenario . . . . . 67
2.5 Lessons Learned . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3 Quality of Experience Control in WLAN Mesh Networks 75
3.1 Wireless Mesh Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.1.1 WMN Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.2 Routing in Wireless Mesh Networks . . . . . . . . . . . 78
3.1.3 Challenges of QoS Support in WMNs . . . . . . . . . . 81
3.1.4 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2 Traffic Observation and Control in WMNs . . . . . . . . . . . . 86
3.2.1 Traffic Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.2.2 Wireless Mesh Traffic Control . . . . . . . . . . . . . . 92
3.3 Performance Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3.1 In-Band Traffic Disturbance . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.2 Out-Band Traffic Disturbance . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4 Simulative Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.4.1 Validation of the Testbed Approach . . . . . . . . . . . . 104
3.4.2 Throughput Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.4.3 Performance Optimization of the Traffic Controller . . . . 107
3.5 Lessons Learned . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4 Planning and Optimization of Wireless Mesh Networks 115
4.1 Network Planning and Optimization Issues . . . . . . . . . . . . 116
4.1.1 Wireless Net