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Impact of directional antennas on routing and neighbor discovery in wireless ad-hoc networks

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Astudillo Brocel, Gabriel (2017). Impact of directional antennas on routing and neighbor discovery in wireless ad-hoc networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Wireless ad-hoc networks are data networks that are deployed without a fixed infrastructure nor central controllers such as access points or base stations. In these networks, data packets are forwarded directly to the destination node if they are within the transmission range of the sender or sent through a multi-hop path of intermediary nodes that act as relays. This paradigm where a fixed infrastructure is not needed, is tolerant to topology changes and allows a fast deployment have been considered as a promissory technology that is suitable for a large number of network implementations, such as mobile hand-held devices, wireless sensors, disaster recovery networks, etc.

Recently, smart directional antennas have been identified as a robust technology that can boost the performance of wireless ad-hoc networks in terms of coverage, connectivity, and capacity. Contrary to omnidirectional antennas, which can radiate energy in all directions, directional antennas can focus the energy in a specific direction, extending the coverage range for the same power level. Longer ranges provide shorter paths to destination nodes and also improve connectivity. Moreover, directional antennas can reduce the number of collisions in a contention-based access scheme as they can steer the main lobe in the desired direction and set nulls in all the others, thereby they minimize the co-channel interference and reduce the noise level. Connections are more reliable due to the increased link stability and spatial diversity. Shorter paths, as well as alternative paths, are also available as a consequence of the use of directional antennas. All these features combined results in a higher network capacity.

Most of the previous research has focused on adapting the existing medium access control and routing protocols to utilize directional communications. This research work is novel because it improves the neighbor discovery process as it allows to discover nodes in the second neighborhood of a given node using a gossip based procedure and by sharing the relative position information obtained during this stage with the routing protocol with the aim of reducing the number of hops between source and destination. We have also developed a model to evaluate the energy consumed by the nodes when smart directional antennas are used in the ad-hoc network. This study has demonstrated that by adapting the beamwidth of the antennas nodes are able to reach furthest nodes and consequently, reduce the number of hops between source and destination. This fact not only reduces the end-to-end delay and improves the network throughput but also reduces the average energy consumed by the whole network.

Titre traduit

Impact des antennes directionnelles sur le routage et la découverte de voisins dans les réseaux ah hoc sans fil

Résumé traduit

Les réseaux ad hoc sans fil sont réseaux de données qui sont déployés sans infrastructure fixe ni de contrôleurs centraux tels que les points d’accès ou les stations de base. Dans ces réseaux, les paquets de données sont transmis directement au noeud de destination s’ils se situent dans la plage de transmission de l’émetteur ou envoyés par noeuds intermédiaires agissant comme relais. Ce paradigme, où une infrastructure fixe n’est pas nécessaire, est tolérant aux changements de topologie, et permet un déploiement rapide a été considéré comme une technologie prometteuse qui convient à un grand nombre d’implémentations de réseau, telles que les appareils portatifs, les capteurs sans fil et les réseaux de reprise après sinistres.

Récemment, les antennes directionnelles intelligentes ont été identifiées comme une technologie robuste qui peut améliorer la performance des réseaux ad hoc sans fil en termes de couverture, de connectivité et de capacité. Contrairement aux antennes omnidirectionnelles qui rayonnent de l’énergie dans toutes les directions, les antennes directionnelles peuvent focaliser l’énergie dans une direction spécifique, en étendant la plage de couverture pour la même puissance irradiée. Les gammes plus longues offrent des chemins plus courts aux autres noeuds et améliorent également la connectivité. De plus, les antennes directionnelles peuvent réduire le nombre de collisions dans un schéma d’accès basé sur les contentions, car elles peuvent diriger le lobe principal dans la direction souhaitée et définir tous les autres comme nuls, réduisant ainsi les interférences co-canal et réduisant le niveau de bruit. Les connexions sont plus fiables en raison de la stabilité accrue des liaisons et de la diversité spatiale. Des chemins plus courts, ainsi que des chemins alternatifs, sont également disponibles en raison de l’utilisation d’antennes directionnelles.

La plupart des recherches antérieures se sont focalisés sur l’adaptation des protocoles de contrôle d’accès au media et d’acheminement existants pour utiliser les communications directionnelles. Ce travail de recherche est authentique car il améliore le processus de découverte du voisin parce que il permet de découvrir des noeuds dans le deuxième voisinage d’un noeud donné, en utilisant une procédure gossip-based et il permettre de partage l’information de position relative obtenue au cours de cette étape avec le protocole de routage. Nous avons également développé un modèle pour évaluer l’énergie consommée par les noeuds lorsque des antennes directionnelles intelligentes sont utilisées dans le réseau ad-hoc. Cette étude a démontré qu’en adaptant l’ouverture du faisceau des antennes, les noeuds sont capables d’atteindre les noeuds les plus éloignés et par conséquent, diminuer le nombre de sauts entre la source et la destination. Ceci va amellueure ne soulement le performance du réseau, mais réduit également l’énergie moyenne consommée par l’ensemble du réseau.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 97-105.
Mots-clés libres: Réseaux ad hoc (Réseaux d'ordinateurs) Antennes adaptatives. Diagrammes de rayonnement d'une antenne. Routage (Gestion des réseaux d'ordinateurs) Réseaux ad hoc (Réseaux d'ordinateurs) Consommation d'énergie. découverte, directionnel, voisin, antennes intelligentes, routage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kadoch, Michel
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 05 janv. 2018 16:37
Dernière modification: 05 janv. 2018 16:37
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1983

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