Power control-based design considerations for Ad hoc and mesh networking

Abstract

We investigate three topics that impact on the design of ad hoc and mesh networks: the properties of transmission powers assigned by a power control scheme, adjacent channel interference modeling and mitigation, and algorithms for efficient guaranteed maximal transmitter-receiver matching discovery. Effective power control, interference mitigation and the availability of maximal matchings for use in scheduling, are network functions that take place in the two lowest layers of the OSI model. On the other hand they have a strong effect on higher layers, affecting routing, throughput and delays and thus they are all of great importance in designing ad hoc and mesh networks. We therefore examine using analytical models and simulations how low-layer wireless network parameters such as network density and wireless environment variables, such as the path loss exponent, can affect the power assignment to the transmitters and the feasibility of matchings, under the Signal to interference-plus-noise (SINR) criterion for data reception. We devise a hypothetical application scenario, to examine how malicious jamming nodes can harm an ad hoc network, and whether the network can mitigate these jamming attempts, by simply adapting its transmitting powers. We further introduce, a model for the calculation of the interference power in partially overlapping channels. We combine it with the SINR criterion for data reception to quantify the effect of Adjacent Channel Interference (ACI) in 802.11a, where adjacent channels are widely assumed to be orthogonal. We validate our theoretical model by applying it to a laboratory testbed, that emulates the wireless channel and establish that in 802.11a immediately adjacent channels and next-to-adjacent channels have the potential to interfere with each other. Our experimental setup was capable to isolate the mechanisms with which the neighboring channel interference affects the 802.11a: the packet capture at the receiver and the Clear Channel Assessment (CCA) mechanism. Through experimentation we quantify the effect of ACI on throughput for both of the mechanisms above. We finally establish a link budgeting tool that accounts for ACI and directional antennas and indicate how to use it to mitigate ACI on a multi-radio mesh node. Finally taking advantage of previous observations for the feasibility of matchings we introduce two algorithms that are guaranteed to find a maximal matching with significant efficiency in operations compared to the brute-force method. In the course of our investigations we identified and experimentally verified mathematical conjectures of structural nature for the power assignments methods used. Their proof is left as an open challenge for the scientific (mainly mathematical) community. Furthermore, we introduce a basic building block for a tool to optimally design multi-radio nodes for use in mesh networks. This, along with the observations and methodologies provided in this thesis can lead to the design of such a tool for production systems.

Στην παρούσα διατριβή μελετάμε τρία θέματα που επιδρούν στο σχεδιασμό ασύρματων αδόμητων (ad hoc) δικτύων και δικτύων πλέγματος (mesh): α) Τις ιδιότητες των ισχύων εκπομπής που ένα σύστημα ελέγχου αποδίδει στους πομπούς των κόμβων, β) τη μοντελοποίηση και την αποφυγή παρεμ- βολής γειτονικού καναλιού και γ) αποδοτικούς αλγόριθμους για την εγγυημέ- νη ανεύρεση μέγιστων συνόλων ζεύξεων ταυτόχρονης ενεργοποίησης σε μία αυθαίρετη αντιστοίχιση πομπών-δεκτών. Ο αποδοτικός έλεγχος ισχύος, η εξάλειψη των παρεμβολών και η δια- θεσιμότητα μεγάλων συνόλων ζεύξεων ταυτόχρονης ενεργοποίησης για χρήση στη χρονοδρομολόγηση είναι λειτουργίες που γίνονται στα δύο κατώ- τερα στρώματα του μοντέλου OSI. Οι λειτουργίες αυτές όμως επιδρούν στα ανώτερα στρώματα της αρχιτεκτονικής του δικτύου, καθώς επηρεάζουν την δρομολόγηση, την ταχύτητα ροής δεδομένων (throughput), και τις καθυστε- ρήσεις, με αποτέλεσμα να έχουν σημαντική βαρύτητα στο σχεδιασμό των ad hoc και mesh δικτύων. Για το λόγο αυτό ερευνούμε με βάση το κριτήριο του λόγου του λαμ- βανομενου σήματος προς παρεμβολή-και-θόρυβο (signal to interference-andnoise ratio: SINR) και μέσω αναλυτικών μοντέλων και προσομοιώσεων, τον τρόπο με τον οποίο παράμετροι χαμηλών επιπέδων των ασύρματων δικτύ- ων, όπως η πυκνότητα του κόμβων του δικτύου, αλλά και παράμετροι του ασύρματου μέσου όπως ο εκθέτης απωλειών διάδοσης, επηρεάζουν τις ι- σχείς εκπομπής των πομπών και την δυνατότητα ταυτόχρονης ενεργοποίη- σης πολλαπλών ζεύξεων. Παρουσιάζουμε επίσης ένα υποθετικό σενάριο ό- που μελετάμε πώς κακόβουλοι κόμβοι (jammers) μπορούν με ελάχιστη ισχύ παρεμβολής να βλάψουν ένα ad hoc δίκτυο και κατά πόσο αυτό μπορεί να αντισταθμίσει τις απόπειρες τους απλά προσαρμόζοντας τις ισχείς εκπομπής των πομπών του.