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Integration of network coding, spatial diversity and opportunistic routing/forwarding in wireless mesh networks

Khan, Mohammad Rizwan (2018). Integration of network coding, spatial diversity and opportunistic routing/forwarding in wireless mesh networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Wireless Mesh Network is an answer to the last mile problem. It offers easy deployment and provides coverage over large area with fewer wires. Nevertheless, its limited throughput is inadequate for next generation applications. Motivated by its features and advantages, we propose a solution to mitigate this problem of limited throughput by leveraging the broadcast nature of the wireless medium. In particular, network coding, spatial diversity and opportunistic routing/forwarding capitalize on the broadcast nature of the wireless links to improve the network performance. These techniques target different network conditions and usually are considered in separation. In this thesis a cross-layer based integration of the mentioned three techniques is presented to accumulate their potential gains using the same network protocol stack in wireless mesh networks. The proposed integration approach is based on a new CDARM metric (Coding opportunity and Data rate Aware Routing Metric) used for the route selection and a method for creating relay links at the MAC layer. In particular to leverage on the broadcast nature we developed a cooperative protocol, based on link creation at the MAC layer that introduces opportunism into the cooperative protocol. Based on this cooperative protocol and the routing metric, we integrate the network coding mechanism. Then we introduce cooperation between the network and MAC layers. The numerical study, based on the system level simulation results, shows significant improvement of the integrated protocol performance in terms of network throughput and reliability over the individual mechanisms. To the best of our knowledge this dissertation is the first attempt to integrate network coding, spatial diversity and opportunistic routing/forwarding mechanisms in the same protocol stack. The integrated protocol requires modifications into the network protocol stack that can be easily incorporated in future generation devices.

Résumé traduit

Le réseau maillé sans fil constitue une réponse au problème du « dernier kilomètre ». Celui-ci nous offre en effet, un accès Internet bon marché, un déploiement facile et une grande couverture réseau avec moins de fils. Néanmoins, son débit limité est une barrière à son intégration aux applications de prochaine génération. Motivé par les caractéristiques et avantages de cette technologie, nous présentons une solution à ce problème de débit limité en tirant profit de son caractère de diffusion sans fil. Le codage réseau, la diversité spatiale et le routage/transfert opportuniste capitalisent sur la nature de diffusion des connexions sans fil pour améliorer les performances du réseau. Ces techniques ciblent différentes conditions de réseau et sont en général considérées séparément. Dans cette thèse, une intégration basée sur l’inter-couche (c.à.d. cross-layer) des trois techniques mentionnées est présentée. Cette intégration permettra d’accumuler leurs gains potentiels en utilisant la même pile de protocole réseau dans un réseau maillé sans fil. L'approche d'intégration proposée est base sur une nouvelle métrique CDARM (Coding opportunity and Data rate Aware Routing Metric) utilisée pour la sélection d'itinéraire et sur une méthode de création des liaisons relais au niveau de la couche MAC. Pour exploiter la nature de diffusion, nous avons développé un protocole coopératif (CP_RL) intégrant ces différentes techniques. Un routage opportuniste est tout d’abord introduit dans le protocole coopératif par la création de liaisons relais au niveau de la couche MAC. Sur la base de ce protocole coopératif (CP_RL) et de la métrique de routage, le mécanisme de codage réseau y est ensuite intégré. Pour finir, une cooperation entre le réseau et les couches MAC est mis en place. Les simulations numériques menées lors de cette étude ont montré une amélioration significative des performances du protocole intégré et ce, aussi bien en termes de débit que de fiabilité du réseau. Au meilleur de notre connaissance, cette thèse est la première tentative d'intégration du codage réseau (NC), de la diversité spatiale (CP) et des mécanismes de routage opportuniste (OR) dans la même pile de protocoles. Les avantages du protocole intégré peuvent être clairement observés à partir des résultats. On constate que l'amélioration de la performance varie faiblement dans un scenario à saut unique pour progressivement augmenter dans un scénario multi-saut (c.a.d. multihop). Cette thèse présente un cas d’étude important où nous préconisons d’exploiter aussi bien la nature de diffusion de la chaîne sans fil que l'architecture inter-couche (c.a.d. cross-layer) où les couches interagissent fréquemment les unes avec les autres au lieu de travailler isolément. Certes le protocole intégré nécessite des modifications dans la pile de protocole réseau. Mais ces modifications pourront être facilement incorporées dans les dispositifs de generation future.

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 125-130.
Mots-clés libres: Réseaux maillés (Informatique) Transmission sans fil. Protocoles de réseaux d'ordinateurs. Protocoles de routage (Protocoles de réseaux d'ordinateurs) Réseaux d'ordinateurs Trafic. codage, débit, diversité, opportuniste, réseau, routage, spatiale, création de liens sur la couche MAC
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dziong, Zbigniew
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Labeau, Fabrice
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 07 févr. 2018 20:46
Dernière modification: 07 févr. 2018 20:46
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1995

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