Reconfigurable medium access control protocols for wireless networks

Zhang, Xi; Mähönen, Petri Heikki

doi:5125

Reconfigurable medium access control protocols for wireless networks = Konfigurierbare Medium Access Control-Protokolle für drahtlose Netzwerke

Zhang, Xi (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Xi Zhang

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangVIII, 177 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mähönen, Petri Heikki (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51251
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/445007/files/5125.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Vernetzte Systeme (615510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Rekonfiguration (Genormte SW) ; Rapid Prototyping (Genormte SW) ; Kommunikation (Genormte SW) ; Funknetz (Genormte SW) ; Protokoll (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Protokolle (frei) ; Medium Access Control (frei) ; toolchain (frei) ; implementation (frei) ; wireless (frei)

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

Kurzfassung
Mobilfunknetze werden allgegenwärtig. Sie haben zahlreiche Anwendungsgebiete auch außerhalb der Zellularsystems, zum Beispiel in der Landwirtschaft, bei Mehrbenutzerspielen, beim Gesundheits-Monitoring durch Body Area Networks und bei der Sicherheitsüberwachung. Mobilfunknetze laufen mit einer eingeschränkten und instabilen Funkressource, doch müssen sie eine betriebssichere Bedienung für verschiedene Anwendungsgebiete und Beweglichkeitsmuster gewährleisten. Diese Herausforderungen werden durch den Bedarf an einer raschen Entwicklung der Hardware-Plattformen und Softwarestacks erfüllt, da neue Anwendungsgebiete entstehen. Medium Access Control (MAC)-Protokolle erleichtern den Zugang zum gemeinsamen Spektrum dadurch, dass Regeln definiert werden, wie drahtlose Endstationen miteinander kommunizieren. Ein Laufzeit-konfigurierbares MAC-Protokoll kann diese Regeln dynamisch ändern. Laufzeit-konfigurierbare MAC-Protokolle sind Wünschenswert wegen der Unterstützung von veränderlichen Anwendungsgebieten, Quality of Service (QoS), verfügbarer Spektrumsverwendung gemäß den Zulassungsbedingungen und fairer gemeinsamer Ressourcennutzung. Traditionell sind MAC-Protokolle für ein oder sehr wenige bestimmte Betriebsszenarien optimiert. Deswegen können diese Protokolle in einer zunehmend komplexen und dynamischen, drahtlosen Umgebung eine zufriedenstellende Leistung nicht garantieren. Das Ziel dieser Dissertation ist es, MAC-Protokolle mit einem hohen Niveau an Laufzeitkonfigurierbarkeit zu erstellen, die für alle sich verändernden Anwendungsgebiete und die spektrale Umgebung geeignet sind. In dieser Dissertation zeigen wir ein MAC-Protokollentwicklungsframework und ein zugehöriges Toolchain für on-the-fly MAC-Protokoll-Realisierung und Konfigurierung. MAC-Funktionalitäten sind in einen Satz von gemeinsamen Komponenten entkoppelt. Diese werden für die Konstruktion von MAC Protokollen verwendet. Um die Anwendbarkeit unseres Ansatzes zu validieren, implementierten und evaluierten wir unser Framework und unser Toolchain in zwei verschiedenen Anwedungsbereichen: kognitive Funknetze und drahtlose Sensorennetzwerke. Die komponentenbasierte Architektur ermöglichte die Realisierung von sowohl klassischen als auch neuen MAC-Protokollen mit sehr niedrigem Overhead. Laufzeit-MAC-Protokollkonfigurierung wird auf zwei Arten ermöglicht: begrenzte Rekonfiguration durch MAC Parameteroptimierung, und makroskopische Rekonfiguration durch komponentenbasierte MAC-Protokollrekonstruktion. Wir evaluierten unsere Implementation auf Hardware-Plattformen under realistischen Bedingungen. Die experimentellen Ergebnisse der MAC-Protokollkonfigurierung zeigen, dass das entwickelte Framework den Datendurchsatz verbessert und auch die Datenpaketübertragungsrate bis zu 400% erhöht, in einer instabilen spektralen Umgebung. Die MAC-Protokolle können sich verändernden Applikationsanforderungen anpassen und nahtlose QoS wird unter hochveränderlichen Bedingungen angeboten. Außerdem ermöglicht unser Toolchain die parallele Ausführung von unabhängigen MAC-Komponenten auf Manycore-Architekturen. Wir fanden heraus, dass die parallel Ausführung die MAC-Leistung verbesserte, besonders im Hinblick auf rechenintensive Algorithmen.

Wireless networks are becoming ubiquitous. They have numerous applications also outside the cellular systems, for example in agriculture, multi-user games, health monitoring using body area networks, and security surveillance. Wireless networks operate using a limited and unstable radio resource, yet they must provide a reliable service for an array of varying applications and mobility patterns. These challenges are compounded by having to rapidly develop hardware platforms and software stacks as new applications emerge. Medium Access Control (MAC) protocols facilitate access to the shared spectrum by defining rules by which wireless terminals communicate with each other. A runtime reconfigurable MAC protocol is able to change these rules dynamically. Supporting varying application needs, Quality of Service (QoS), available spectrum utilization in accordance to regulatory policies, and fair resource sharing among networks make runtime reconfigurable MAC protocols desirable. Traditionally, MAC protocols are optimized for one or very few specific operating scenarios, and are thus unable to guarantee satisfactory performance in increasingly complex and dynamic wireless environment. The goal of this work is to provide MAC protocols with a high level of runtime reconfigurability for any changing applications and spectral environment. In this dissertation, we present a MAC protocol development framework and an associated toolchain for on-the-fly MAC protocol realization and reconfiguration. MAC functionalities are decoupled into a set of common components which are used to construct MAC protocols. To validate the applicability of our approach, we implemented and evaluated our framework and toolchain in two significantly different application areas: cognitive radio networks and wireless sensor networks. The component-based architecture enabled realization of both classical and new MAC protocols with very low overhead. Runtime MAC protocol reconfiguration is enabled in two ways: small-scale reconfigurations using MAC parameter tuning, and macroscopic reconfigurations through component-based MAC protocol reconstruction. We evaluated our implementations using hardware platforms in realistic environments. The experimental results on MAC protocol reconfiguration show that the developed framework improved throughput and packet delivery ratio up to 400% in an unstable spectral environment. Adapting to varying application requirements is achieved, and seamless QoS is offered under highly varying conditions. In addition, our toolchain enables parallel execution of independent MAC components on many-core architectures. We found parallel execution to improve MAC performance especially for computationally intensive algorithms.

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