Cooperative diversity architecture for wireless networks

Abstract

Kablosuz ağlara yönelik giderek artmakta olan talep, kablosuz ortamın kanal bozulmalarına karşı dayanıklı, güvenilir ve aynı zamanda enerji-verimli haberleşme mimarilerini gerektirmektedir. İşbirlikli haberleşme, kanal bozulmalarından kaynaklanan etkilerin işbirlikçi çeşitleme vasıtasıyla azaltılmasına dayanan, uygun bir teknik olarak ortaya çıkmaktadır. İşbirlikli çeşitlemenin, dayanıklı ve güvenilir bir haberleşme yöntemi olmasıyla birlikte, işbirliğinin gerçek bir kablosuz ağda uygulanması kablosuz ağ tasarımı ile ilgili birçok teknik zorluğu beraberinde getirmektedir. Bu tezde, kablosuz ağlar için, fiziksel, ortam erişim ve yolatama katmanlarını kapsayan, tüm sistem başarımını eniyileyen parametrelerin işbirliğinin tüm katmanlardaki maliyeti hesaba alınarak çözümlendiği bir işbirlikçi çeşitleme mimarisi önerilmektedir.İlk olarak, birden çok röleyle işbirliğini mümkün kılan yeni bir işbirlikli ortam erişim protokolünü sunmaktayız. Önerilen protokol vasıtasıyla, hangi veri iletim hızları ve senaryolarda işbirliğinin sistemin net veri hızına ve enerji-verimliliğine katkı sağladığını incelemekte ve başarım analizlerini sunmaktayız. Sonuçlarımız göstermektedir ki, işbirliğinin başlatılmasının net veri hızı ve enerji-verimliliği üzerinde kayda değer bir etkisi vardır. Bu etki literatürde sıkça gözardı edilmiştir.Ardından, iletim gücü kısıtlaması ve işbirlikli iletimin belirli bir ortalama bit hata oranını sağlaması kısıtları altında, en düşük enerji harcayan işbirlikçi küme seçimi ve güç ataması problemini incelemekteyiz. İşbirlikli sistemin ortalama bit hata oranını formüle etmekteyiz ve bununla birlikte işbirlikçi küme seçimi ve kapalı-biçimli güç atama sonuçları bulmaya imkan sağlayacak, yalın fakat isabetli bir bit hata oranı yakınsaması önermekteyiz. İşbirlikçi küme seçimi ve güç ataması problemini formüle edip eniyi çözümü (O-CSPA) sunmakta ve ayrıca dağıtık bir uygulamayı (D-CSPA) önermekteyiz. Sonuçlarımız göstermektedir ki, verimli kaynak dağılımını düşük maliyetle gerçekleyerek sistem başarımını iyileştirdiği için akıllı işbirlikçi röle seçimi vazgeçilmezdir. D-CSPA algoritmamızın COMAC protokolü içerisinde gerçeklemesi ve benzetimleri dağıtık algoritmamızın sistemin net veri hızını arttırdığını, veri gecikmesini azalttığını ve bununla birlikte sistemin enerji harcamasını ve mesajlaşma yükünü de önemli ölçüde azalttığını göstermiştir.Son olarak, kablosuz tasarsız ağlar için işbirlikçi yol atama yapısı ve katmanlararası bir mimari, RECOMAC, önermekteyiz. RECOMAC mimarisi, literatürdeki mevcut yöntemlerin aksine, dayanıklı ve güvenilir uçtan-uca haberleşmeyi hiçbir önceden saptanmış rotaya gereksinim olmadan, tamamıyla fırsatçı ve dağıtık biçimde oluşturulmuş işbirlikçi röle kümeleri vasıtasıyla, röle seçimi ve harekete geçirilmesi için fazladan hiçbir yük getirmeden sağlamaktadır. Sonuçlar göstermektedir ki, kanal sönümlemesi ve yol kaybı gibi kablosuz kanal bozulmalarında bile, işbirlikçi yönlendirme yapımız ve katmanlararası mimarimiz, RECOMAC, AODV yol ataması ve IEEE 802.11 ortam erişimi kullanan işbirliksiz katmanlı geleneksel ağ mimarilerine kıyasla net veri hızı ve veri gecikmesi açısından sistem başarımını önemli ölçüde arttırmaktadır.

The burgeoning demand for wireless networks necessitates reliable and energy-efficient communication architectures that are robust to the impairments of the wireless medium. Cooperative communication emerges as an appropriate technique that mitigates the severe effects of channel impairments through the use of cooperative diversity. Notwithstanding the fact that cooperative diversity is a very suitable technique to provide robust and reliable communication, the realization of cooperation idea precipitates many technical challenges that are associated with the overhaul of the wireless network design. This dissertation proposes a cooperative diversity architecture for wireless networks, that spans the physical, medium access and routing layers with parameters (jointly) optimized for overall system performance, taking into account the cost of cooperation in each layer.First, we present a new cooperative MAC protocol, COMAC, that enables cooperation of multiple relays in a distributed fashion. Through the proposed protocol, we investigate and demonstrate at what rate and for which scenarios cooperation brings benefits in terms of throughput and energy-efficiency. Our results demonstrate that cooperation initiation has a significant cost on both the throughput and energy-efficiency, which have been often disregarded in the literature.We next study the energy minimal joint cooperator selection and power assignment problem under transmit power constraints such that the cooperative transmissions satisfy an average bit error rate (BER) target. We derive the average BER of the cooperative system and we propose a simple yet close approximation to facilitate cooperator selection methods with closed form power assignment solutions. We formulate the joint cooperator selection and power assignment problem, we present the optimal solution (O-CSPA) and we also propose a distributed implementation (D-CSPA). Our results demonstrate that smart cooperator selection is essential, as it provides efficient resource allocation with reduced overhead leading to improved system performance. Our implementation and simulations of D-CSPA algorithm in COMAC protocol demonstrate that our distributed algorithm causes minimal overhead, yields improved throughput and reduced delay, while reducing the energy consumption.Finally, we propose a cooperative routing framework and a cross-layer architecture, RECOMAC, for wireless ad hoc networks. The RECOMAC architecture facilitates formation of cooperative sets on the fly in a decentralized and distributed fashion, requiring no overhead for relay selection and actuation, and resulting in opportunistically formed cooperative links that provide robust and reliable end-to-end communication, without the need for establishing a prior non-cooperative route, unlike existing schemes. The results demonstrate that under wireless channel impairments, such as fading and path loss, our cooperative forwarding framework and cross-layer architecture, RECOMAC significantly improve the system performance, in terms of throughput and delay, as compared to non-cooperative conventional layered network architecture with AODV routing over IEEE 802.11 MAC.