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Energy-efficient Communication in Ad Hoc Wireless Local Area Networks
Ebert, Jean-Pierre
Die Funktechnik wird heutzutage in vielen Bereichen, beispielsweise in der Computer-, Kommunikations- und Steuerungstechnik, verwendet. Eine der populärsten Funktechnologien, die der Klasse der lokalen Netzwerke (LANs) zugerechnet wird, ist IEEE 802.11. Die Mitte der achtziger Jahre konzipierte und 1995 vom IEEE in seiner Urform standardisierte Funktechnologie hat nicht zuletzt wegen den vergleichsweise hohen Übertragungsraten vor allem im Internet-Anschlussbereich von (mobilen) Endgeräten Anwendung gefunden. Trotz der vorhandenen Energiesparfunktion verbraucht eine IEEE 802.11-Funkschnittstelle einen erheblichen Teil des Energiebudgets eines batteriebetriebenen Endgeräts, so dass weitere Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs notwendig sind. Diese Dissertation befasst sich mit verschiedenen Aspekten der Energieverbrauchsreduktion von IEEE 802.11-basierten Funknetzen. Das zentrale Element dieser Arbeit ist das Vielfachzugriffsprotokoll. Ausgangspunkt ist die Messung der Leistungsaufnahme einer WLAN-Schnittstelle in verschiedenen Betriebsarten. Unter Zuhilfenahme dieser Messdaten wird der Energieverbrauch der WLAN-Schnittstelle in verschiedenen Betriebsarten und bei verschiedenen Kanalqualitäten bestimmt. Um den Energieverbauch aussagekräftig zu beschreiben, wird eine neue Metrik verwendet, welche der verbrauchten Energie pro erfolgreich übertragenem Informationsbit entspricht. In dieser Arbeit wird ersichtlich, dass die im IEEE 802.11-Standard spezifizierte Energiesparfunktion, die im Grunde einem Ein/Aus-Schema entspricht, bei entsprechenden Maßnahmen den positiven, betriebsdauerverlängernden Effekt einer gepulsten Batterieentladung erzielen kann. Im Weiteren wird der Zusammenhang zwischen der Größe eines gesendeten Pakets und dem Energieverbrauch der WLAN-Schnittstelle untersucht. Die Analyse verdeutlicht, dass die Anpassung der Funksignalleistung an die Paketgröße zu einer Senkung des Energieverbrauchs führt. Abschließend wird die dynamische Anpassung der Funksignalleistung im Zusammenhang mit einer kontrollierten Mehrschrittkommunikation (multi-hop) hinsichtlich des Reduktionspotentials beim Energieverbrauch und der Immissionsleistung untersucht. In beiden Fällen wird ein Reduktionsgewinn ersichtlich. Die Ergebnisse der Dissertation zeigen, dass weiteres Potential zur effizienteren Nutzung des begrenzten Energievorrats einer Batterie vorhanden ist, was letztendlich zu länger arbeitenden, leichteren und damit zu ergonomischeren, funkbasierten Kommunikationsendgeräten führt. Obwohl die Arbeiten auf der IEEE 802.11-Funktechnologie basieren, haben die erzielten Ergebnisse allgemeine Gültigkeit.
Today there is a widespread utilization of wireless in computation, communication and control. A very popular wireless technology, belonging to the class of local area networks, is IEEE 802.11. Developed in the eighties and speci ed in its raw form by the IEEE in 1995, it offers comparatively high data rates and competitive ease of use. The main application scenario is the provision of Internet access for (mobile) end systems. Despite a powersaving function IEEE 802.11 network interfaces still consume a vast amount of the overall energy budget of a self-sustained end system. Hence, further efforts are necessary to reduce the energy demand of an IEEE 802.11 network interface. In this thesis several aspects of energy consumption and ef cient utilization of limited energy resources of IEEE 802.11 communication systems are explored regarding the Media Access Control protocol. The investigation is based on power consumption measurements of an IEEE 802.11 network interface. These measurements provide parameters for several simulations, which are used to determine the energy consumption of the network interface for various operation modes and different radio link qualities. A new metric, the energy consumed to transmit one payload bit successfully, is employed to determine power consumption meaningfully. The results also reveal that the IEEE 802.11 power-saving creates an On/Off discharge pattern resulting in a pulsed battery discharge. Pulsed battery discharge signi cantly extends battery life compared to continuous discharge. Furthermore, the relation of the size of a transmitted packet to the energy consumption is analyzed. It is shown that a packet size dependent power control scheme leads to considerable energy savings. Power control is also considered from the network perspective. The particular question, whether power control reduce energy consumption and radio exposure if a controlled multi-hop ad hoc network communication scheme is used, is positively answered. The achieved results reveal that there still is potential for a more ef cient use of the limited energy resources of self-sustained, wireless communication systems. The rewards for an ef cient use of energy are either increased operating times or smaller, lighter and therefore more ergonomic wireless end systems. Although the achieved results base on IEEE 802.11, most of them are generally valid.
