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Design considerations for medium access control in resource constrained embedded wireless networks = Untersuchungen zur Gestaltung der Kontrolle des Medienzugriffs für ressourcenbeschränkte eingebettete Drahtlosnetzwerke



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Junaid Ansari

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangX, 234 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-09-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42833
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/197565/files/4283.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl und Institut für Vernetzte Systeme (615510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kommunikation (Genormte SW) ; Funknetz (Genormte SW) ; Drahtloses Sensorsystem (Genormte SW) ; Kognitiver Funk (Genormte SW) ; Energieeffizienz (Genormte SW) ; Rekonfiguration (Genormte SW) ; Entwurf (Genormte SW) ; Prototyping (Genormte SW) ; Leistungsbewertung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Medienzugriffskontrolle (frei) ; Drahtlose Netzwerke (frei) ; Spektrumagilität (frei) ; Rekonfigurierbarkeit (frei) ; medium access control (frei) ; wireless networks (frei) ; energy efficiency (frei) ; spectrum agility (frei) ; reconfigurability (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZN 6560 * ZN 6220 * ZN 6225 * ZN 6420

Kurzfassung
Die vergangenen Jahre zeichnen sich durch einen enormen Zuwachs an Applikationen aus, die auf eingebetteten Drahtlosnetzwerken basieren. Immer anspruchsvollere Applikationen werden in schwierigen Einsatzszenarien erprobt und enthüllen, dass bestehende Kommunikationsnetze Defizite aufweisen, Ressourcen nur ineffizient nutzen und nicht die gewünschte Service-Qualität liefern können. Um die Ausnutzung und Erforschung von eingebetteten Drahtlosnetzwerken für verschiedene alltägliche Zwecke voranzutreiben, müssen Brücken geschlagen werden, die die Kluft zwischen steigenden Anforderungen an Applikationen und den Möglichkeiten eingebetteter Netzwerklösungen überwinden. Medienzugriffsprotokolle (MACs) spielen eine kritische und wichtige Rolle für eingebettete drahtlose Kommunikation, da sie einen großen Einfluss auf die Leistungscharakteristik eines Netzwerkes haben. Die Popularität von eingebetteten Drahtlosnetzwerken verlangt nach neuen maßgeschneiderten MAC-Lösungen für den jeweiligen Einsatzzweck und die vorgefundenen Umweltbedingungen. Bereits heute gibt es umfangreiche Erkenntnisse über die grundlegenden Entwurfstechniken für MACs, hierbei insbesondere über deren theoretischen Unterbau. Forscher und Praktiker betrachten allerdings mit Sorge, dass viele der vorgeschlagenen MAC-Lösungen im praktischen Einsatz nicht die in Analysen und Simulationen prognostizierten Verhaltensmuster aufweisen. Grund für diese Diskrepanz sind häufig ein Mangel an praktischen Erfahrungen auf Grund fehlender Prototypen und unrealistische Annahmen über die geplante Nutzung. Diese Dissertation versucht, eine weitere Spaltung zwischen Theorie und Praxis der MAC-Protokolle für eingebettete Drahtlosnetzwerke zu verhindern, indem sie innovative Entwurfstechniken vorschlägt und existierende Lösungen analysiert. Die Arbeit bezieht sich dabei hauptsächlich auf drahtlose Sensornetzwerke und kognitive Drahtlosnetzwerke. Wir untersuchen Aspekte des MAC-Entwurfs mit hoher praktischer Relevanz: Energieeffizienz, Spektrumagilität, die Fähigkeit zur Laufzeitkonfiguration und ebenenübergreifende Methoden. Wir schlagen eine neuartige Lösung vor, die funkempfängergesteuertes Aufwecken mit MAC-Protokollen für hochgradig stromsparenden Betrieb verbindet und ein spezielles Design für hocheffiziente, energiesparende Kommunikation auf Basis eines dual ausgelegten Funksystems. Ein innovatives MAC-Protokoll für agile Spektrumsnutzung und verteilten dynamischen Kanalzugriff in ressourcenbeschränkten eingebetteten Drahtlosnetzwerken wird vorgestellt. Um eine Konfiguration zur Laufzeit und einen schnellen Prototypenentwurf zu ermöglichen, wird ein komponentenorientiertes Framework entwickelt. Verschiedene ebenenübergreifende Ansätze zur Optimierung von Sicherungs- und Vermittlungsschicht werden im Hinblick auf höhere Netzwerkeffizienz untersucht. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte wurden durch prototypische Implementationen und umfangreiche Leistungsanalysen in echten Prüfaufbauten unter realistischen Einsatzbedingungen überprüft. Desweiteren wurden vergleichende empirische Studien der vorgeschlagenen Lösungen mit existierenden aktuellen Designs unter gleichen Verkehrs-, Netzwerk- und spektralen Bedingungen durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die von uns vorgeschlagenen MACs eine hohe Relevanz für praktische Applikationen und Einsatzszenarien haben.

Recent years have experienced a huge influx of daily life applications based on embedded wireless networks. While new applications with more demanding requirements and challenging deployment conditions are being explored, most of the existing networks suffer from communication deficiencies, inefficient use of resources, and inability to satisfy desired quality of service requirements. In order to carry on exploitation and exploration of embedded wireless networks in different daily life applications, there is a need for bridging the widening gulf between growing application demands and capabilities of the embedded networking solutions. Medium Access Control (MAC) protocols play a critically important role in embedded wireless communication and heavily influence the performance characteristics of a network. The increasing popularity of embedded wireless networks demand new MAC solutions that best suit to the application requirements and the deployment conditions. Vast literature exists on the fundamentals of MAC designs especially on their theoretical underpinnings. One of the biggest concerns for many researchers and practitioners is that a large number of the proposed MAC schemes when implemented in real applications often fail to provide the behaviour as seen in analytical and simulation studies. The underlying reasons mainly include lack of practical insights due to unavailability of prototype implementation and unrealistic deployment assumptions. This dissertation aims at bridging the gap between theory and practice of MAC protocols for embedded wireless networks through development of new protocols and analysis of existing solutions. The work mainly targets wireless sensor- and cognitive wireless networks. It investigates MAC design aspects with high practical significance: energy efficiency, spectrum agility, runtime reconfigurability and cross-layer methodologies. A novel solution of combining radio-triggered wake-ups with MAC protocols for extremely low-power operation and a specialized dual-radio based MAC design for highly energy efficient communication has been developed. An innovative MAC protocol is introduced for spectrum agility and distributed dynamic channel access in resource constrained embedded wireless networks. For enabling runtime reconfiguration to MAC solutions and fast prototyping, a component oriented framework is developed. Different cross-layer design approaches are investigated for MAC-routing stack optimization and achieving higher network efficiency. All the concepts introduced in this work have been validated through prototype implementation and extensive performance evaluation on real node testbeds under realistic application conditions. Furthermore, comparative empirical studies of the proposed solutions with existing state-of-the-art designs are conducted under the same traffic, network and spectral conditions. The experimental results indicate that the developed MAC protocols have high relevancy to real-world applications and deployment scenarios.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-143420
Datensatz-ID: 197565

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
615510

 Record created 2013-02-04, last modified 2022-04-22


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