Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1577
Main Title: QoS in distributed wireless 802.11-based multi-hop networks
Translated Title: QoS in verteilten 802.11 basierten drahtlosen Multi-hop Netzwerken
Author(s): Carlson, Emma Maria Elisabeth
Advisor(s): Wolisz, Adam
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Gruppe der IEEE 802.11 Protokolle ist heute die führende Technologie im Wireless Local Area Networks-Bereich (WLAN). Das wachsende Interesse für WLANs in den vergangenen Jahren hat zu Überlegungen, die Single-Hop-Umgebung zu einer Multi-Hop-Umgebung auszubauen. Damit könnte die Netzabdeckung verbessert werden als Knoten auserhalb ihrer Zielreichweite könnten einen dazwischen liegenden Knoten als Relais benutzen. Heute wird von WLANs nicht nur höchste Qualität in den Anwendungen, z.B. E-Mail oder Web-Browsing, erwartet, zusätzlich würde auch die Übertragung von Echtzeitanwendungen zu einem wichtigen Thema. Anders als beim best-effort Verkehr erfordern Echtzeitanwendungen eine Übertragung mit niedriger und konstanter Verzögerung oder konstantem Durchsatz. Leider unterstutzt das konkurrenzbasierte Distributed Coordination Function (DCF) Zugriffs Protokoll, das in der Technologie von IEEE 802.11 benutzt wird, jedoch nicht solche Quality-of-Service (QoS); unregelmäigkeiten bei der übertragenden Instanz kann zu einem niedrigen Durchsatz und einer hohen und varierenden Paketrate führen. Diese Erscheinungen treten bereits bei einer Single-Hop-Kommunikation auf, verstärken sich aber noch bei Übertragungen über mehrere,nicht-synchronisiert arbeitende Hops. Es gibt zwei Hauptansätze fur QoS im DCF: Echtzeit-Ströme mit höherer Priorität als andere (Ströme) zu ubertragen oder Ressourcen für sie zuzuordnen. Das Konzept vom Mechanismus der Priorität wurde in IEEE 802.11e standardisiert, das Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) Protokoll. Leider kann QoS nicht garantiert werden; die Durchschnittsübertragung ist noch immer konkurrenzbasiert. Eine Reservierung basierende Methode beseitigt Unregelmäigkeiten der konkurrenzbasierten Übertragung und stellt so potentiell end-to-end QoS sicher. Der Nachteil dieser Methode ist die Notwendigkeit für Verwaltung der Ressourcen in jedem Knoten und bei Datenübermittlungen zwischen den Knoten. Mein Hauptansatz ist das eine Reservierung basierende Methode ist die tauglichste für die Sicherstellung von QoS. Diese Ansatz war meine Motivation ein Reservierungsprotokoll für 802.11 basierte Multi-Hop-WLANs zu entwickeln. Das Protokoll wirkt in der MAC-Schicht, wo es periodisch auftretende Zeit-Slots in den Knoten dezentral reserviertund heisst Distributed end-to-end Allocation of time-slots for REal-time traffic (DARE). Hauptsächlich neuartig am DARE-Protokoll sind die folgenden, völlig verteilten Komponenten: eine Konfiguration mit End-to-End-Reservierungen, Unterstützung der Mobilität, die Verbreitung von ReservierungsInformationen mit niedriger Signalauslastung, die Koordinierung von Mehrfachreservierungen mit unterschiedlichen Zeit-Slots und die Verbreitung von Reservierungsinformationen über zwei Hops entfernte reservierte Übertragungen. Das DARE-Protokoll ist mit DCF und EDCA vergleicht. Die Simulationsergebnisse zeigen zunächst, dass DARE bezüglich zeitlicher Verzögerungen zuverlässiger ist als DCF oder EDCA; es bleibt absolut konstant bei den Übertragungen. Bei EDCA und DCF treten deutlich grössere Schwankungen und durchschnittliche Zeitverzögerungen bei der End-to-End Paketübertragung auf. Allerdings hat EDCA in Netzwerken mit niedriger Auslastung einen etwas höheren Durchsatz als DARE. Aber wenn sich die Verkehrsauslastung erhöht, verringert sich bei EDCA der Durchsatz und ist sehr viel geringer als der bei DARE. Die Zusammenfassung der Ergebnisse von Zeitverzögerung und Durchsatz ergibt klar, dass DARE die bessere Methode ist, QoS in verteilten 802.11 basierten drahtlosen Multi-Hop-Netzwerken anzubieten. Sogar in dynamischen Netzwerken, in denen DARE gezwungen ist, einen Grossteil seiner Bandbreite zurWiederherstellung von Reservierungen und Verschiebung von kollidierenden Reservierungen aufzuwenden, bewährt sich DARE gegenuber EDCA und DCF.
Wireless Local Area Networks (WLAN)s are today common for access to Internet; well-known and used is IEEE 802.11 standardized technology. Some drawbacks of the standardized distributed medium access scheme, Distributed Coordination Function (DCF) has resulted in considerations made to extend the DCF from single-hop communications to multi-hop. Multihopping has the potential to reduce energy consumption and increase throughput and coverage. The drawback is lack of Quality-of-Service (QoS) support, which already with single-hop communication was bad, but extending a communication between two peers to multi-hop significantly reduces the possibility to offer reliable transmissions. The contention-based medium access performed at each hop with the DCF results in large uncertainties as to when a packet arrives to its end-destination. There are two general approaches for extending the DCF with QoS functionality: 1. Allocate resources for a flow and 2. Assign a flow higher priority than other flows. My hypothesis is that for strict QoS guarantees, a reservation-based approach is the better one. This has been my motivation to design a new medium access protocol; based on the DCF,periodic time slots for QoS-demanding real-time applications are reserved. The Distributed Allocation of time slots for Real-time traffic (DARE) is unique as it totally distributed sets up an end-to-end reservation before the transmission of data begins, repairs broken reservations, support many periods and time slot sizes and distribute piggy-backed information even to a two-hop radius from a receiver. This thesis describes the DARE protocol and also presents results from comparisons of DARE, DCF and the IEEE 802.11 E standardized priority-based QoS medium access protocol Enhanced Distributed Channel Access (EDCA). Using simulations, this thesis shows that DARE offers constant end-to-end packet delay for a flow, very low average packet delay in the whole system and constant throughput. EDCA and DCF depend strongly on the total network load; average packet delay for a real-time flow increases rapidly with the surrounding load. DARE outperforms both DCF and EDCA when many flows are present, even in networks with frequent topology changes where reservations must be repaired. Thus, the reservation-based DARE protocol is the most suitable approach for extending DCF with QoS.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15440
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1874
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1577
Exam Date: 12-Feb-2007
Issue Date: 24-Apr-2007
Date Available: 24-Apr-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): 802.11
DCF
MAC
Multi-hop
QoS
802.11
DCF
MAC
Multi-hop
QoS
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