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Designing and implementing cognitive medium access control protocols : a hierarchical approach
2018 & 2019
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-19
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-231232
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/751290/files/751290.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cognitive radio (frei) ; directional MAC (frei) ; mm-Wave (frei) ; prototyping (frei) ; software defined radio (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Mit der explosiven Zunahme an mobilen Geräten, der industriellen Automation und dem Internet der Dinge ist der Bedarf an schneller und verlässlicher kabelloser Kommunikation größer denn je. Als Folge dessen wird die Knappheit des konventionellen Frequenzspektrums zu einem großen Problem. Um die überfüllte Radioumgebung zu kontrollieren und um neue, sich rasch entwickelnde, fortschrittliche Technologien besser nutzen zu können, findet bei den Medium Access Control (MAC) Protokollen ebenfalls eine schnelle Entwicklung statt. Auf der einen Seite werden MAC Protokolle unweigerlich intelligenter, um die limitierten Ressourcen effizienter nutzen zu können. Auf der anderen Seite werden viele neue Kommunikationssysteme entwickelt und aufgebaut, die in bislang ungenutzten Frequenzbändern, wie zum Beispiel dem mm-Wave Band, in dem eine große Menge nicht genutzten Spektrums existiert, operieren. Die Signalausbreitung und der Kanal verhalten sich in diesen neuen Umgebungen jedoch anders als in den konventionellen Frequenzbändern, was ein angepasstes Protokolldesign erfordert. Deshalb ist es erforderlich, den Designprozess von MAC Protokollen für die kommenden Generationen der mobilen Kommunikation zu überdenken. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns zunächst auf das Design von direktionalen MAC Protokollen für den Einsatz in der mm-Wave Kommunikation. Wir analysieren traditionelle MAC Protokolle - wie CSMA/CA - und entwickeln neue Protokolle, um zuverlässige und schnelle Kommunikation in direktionalen Netzwerken zu gewährleisten. Die Kooperation zwischen den Kommunikationspartnern wird in den neuen Protokollen berücksichtigt, um Verbesserungen auf der Netzwerkebene zu erreichen. Wir zeigen sowohl durch numerische als auch durch empirische Analysen, dass die vorgeschlagenen Protokolle komplexe Radioumgebungen handhaben können und eine erhebliche Leistungssteigerung gegenüber den konventionellen Protokollen erreichen. Wir entwerfen weiterhin ein kognitives MAC Protokoll für den Einsatz in dezentralisierten Mehrkanalumgebungen, welches parallele Übertragungen für die sekundären Nutzer ermöglicht und gleichzeitig die Unterbrechungen des primären Nutzers minimiert. Das vorgeschlagene Protokoll wird mithilfe von Software Defined Radios implementiert. Unsere experimentelle Leistungsauswertung zeigt, dass das vorgeschlagene Verfahren zuverlässige parallele Übertragungen in mehreren Kanälen ermöglicht, selbst dann, wenn beträchtliche Interferenz vorhanden ist. Zusätzlich zu den hier vorgestellten neuen MAC Protokollen stellen wir außerdem ein neues Werkzeug zum Entwurf von MAC Protokollen vor, welches wir Decomposite MAC Description Language (DMDL) nennen. Das Ziel von DMDL ist es, ein vereinheitlichtes Rahmenwerk zum Entwurf und zur Implementierung von neuen MAC Protokollen zur Verfügen zu stellen. In DMDL wird ein MAC Protokoll durch eine hierarchische finite Zustandsmaschine dargestellt. MAC Funktionen werden durch eine genaue Analyse existierender Protokolle und durch die Abschätzung zukünftiger Anforderungen in ihre Grundbestandteile zerlegt. DMDL erreicht einen hohen Grad an Fragmentierung und Modularität, wodurch eine rein grafische Umsetzung möglich ist. Um die Effektivität und Effizienz von DMDL zu demonstrieren, wurde es mithilfe von GNU Radio implementiert und unter Verwendung von USRPs getestet. Verschiedene traditionelle und kognitive MAC Protokolle werden implementiert und getestet. Die empirischen Resultate zeigen, dass die Leistung der implementierten Protokolle mit der theoretisch zu erwartenden Leistung übereinstimmt. Diese Ergebnisse, zusammen mit der einfachen Handhabung, zeigen, dass DMDL ein effektives Werkzeug zum Entwurf und zur Analyse von MAC Protokollen ist, welches einen hohen Grad an Flexibilität, Wiederverwertbarkeit und Wartbarkeit aufweist.With the explosive growth of mobile devices, industrial automation and the Internet of things, the need for high speed and reliable wireless communication systems become greater than ever. As a consequence, the issue of spectrum scarcity becomes a severe problem in conventional frequency bands. To handle the crowded radio environments and make full use of quickly emerged advanced technologies, Medium Access Control (MAC) protocols are also evolving rapidly. On one hand, MAC layer schemes inevitably turn to be smart to efficiently utilize the limited spectrum resources. On the other hand, many new communication systems are designed and deployed to perform in so far unconventional frequencies, for example on mm-Wave bands where a tremendous amount of spectrum exists. However, the signal propagation and channel conditions in the new environments are different to the conventional scenarios, which also requires distinguishing protocol design. Therefore, rethinking of the MAC designing philosophy for the new generation of communication systems becomes a necessity. In this dissertation, we first focus on designing and implementing directional MAC protocols for mm-Wave communications. We analyze traditional MAC schemes such as CSMA/CA, and design new schemes to offer reliable and fast wireless services in directional networks. Cooperation among communicating nodes is considered in the new schemes to achieve network level improvement. Through both numerical and empirical analysis, we show that the newly proposed protocols can handle complex radio environments and achieve considerable improvements against conventional methods. We also design and implement cognitive MAC protocol targeted to decentralized multichannel environment which allows parallel transmission for secondary users while minimizing the interruption to the primary user. The proposed protocol is implemented using software defined radios. Our experimental performance evaluation indicates that the proposed scheme is able to carry out reliable parallel communications in multiple channels even in a severely interfered environment. In addition to the newly designed MAC schemes, we propose a new MAC designing tool named Decomposite MAC Description Language (DMDL), which aims at providing a unified framework for easier MAC protocol design and implementation. In DMDL, a MAC protocol is conceptually modeled as a hierarchical finite state machine. MAC functionalities are decomposed by comprehensively reviewing existing MAC schemes and predicting future demands. DMDL achieves high decomposability and modularity, which enables it to be a pure graphical language. To show its capacity and performance, DMDL is completely implemented in GNU Radio and operated on USRPs. Several traditional wireless and cognitive MAC protocols are implemented and tested. The empirical results indicate that the performances of the implemented MAC protocols are in accordance with the theoretical expectations. Combing with its simple and straightforward working flow, DMDL is proven to be an efficient MAC designing and implementing tool with high flexibility, reusability, and debuggability.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019907267
Interne Identnummern
RWTH-2018-231232
Datensatz-ID: 751290
Beteiligte Länder
Germany
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