Kooperatives Forwarding in drahtlosen Maschennetzen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden praktische Protokolle für spontane drahtlose Multi-Hop Maschennetze vorgestellt, diese betrachten das drahtlose System ganzheitlich und berücksichtigen damit die Besonderheiten des drahtlosen Mediums, wie Fading, Interferenz sowie starke Signaldämpfung aufgrund von Entfernung bzw. Hindernissen. Interferenz ist eine Hauptursache für Paketverlust, Durchsatz und Latenz können durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer interferenzfreier Kanäle verbessert werden. In Sensor- bzw. Community-Netzen kommt preiswerte und energiesparende Hardware zum Einsatz, die Verwendung zusätzlicher Antennen bzw. Radios ist deshalb nicht möglich. Andererseits werden aber zukünftige drahtlose Netze eine 100-mal höhere Knotendichte, verglichen mit heutigen Netzen, zeigen. Durch die Ausnutzung der im System inhärent vorliegenden Ressource Nutzer (Multi-User Diversität) werden durch Kooperation virtuelle Multi-Antennen und Multi-Radiosysteme aufgebaut. Aufgrund des großen Abstands zwischen den Knoten erreicht man erstens eine hohe räumliche Diversität und zweitens lassen sich damit auch negative Effekte, wie Interferenz zwischen benachbarten Kanälen, minimieren. Es werden Algorithmen sowohl für die Mediumzugriff- als auch die Routing-Schicht vorgestellt. Da keine spezielle physikalische Schicht notwendig ist, kann IEEE 802.11 verwendet werden. Schließlich kann auch auf die bereits heute verfügbare IEEE 802.11 Hardware, die nur eine Kanalumschaltzeit im Millisekundenbereich erlaubt, zurückgegriffen werden. Die zwei vorgestellten Protokolle eignen sich für Umgebungen mit hoher bzw. geringer Interferenz durch fremde WiFi-Netze. Bezüglich Durchsatz werden moderne Protokolle, wie DSR auf Basis von IEEE 802.11 und ETX-Metrik, um ein Vielfaches übertroffen, außerdem ist die Latenz klein und das TCP/IP-Protokoll kann unverändert verwendet werden.

In this work practical protocols are introduced for spontaneous wireless multi-hop mesh networks which contemplate the wireless system integrally and therefore take into account particular features of the wireless medium, like fading, interference as well as strong signal attenuation due to distance or obstacles. Interference is one of the main causes for packet loss. Throughput and latency can be improved by the simultaneous use of several non-interfering channels. In sensor or community networks inexpensive and energy-saving hardware is used. Additional antennas or radios are impossible therefore; on the other hand future wireless networks will show a 100 times higher node density in comparison with today''s networks, however. By the usage of the resource user (multi-user diversity), that is inherently present in the system virtual multi-antennas and multi-radio systems can be built up by cooperation. Firstly, a high spatial diversity can be achieved due to the large distance between the nodes and secondly, negative effects like interference can be minimized between neighboring channels. Algorithms are introduced both for medium access and routing layer. Since a special physical layer is not required IEEE 802.11 can be used. These days already available 802.11 hardware, which allows a channel switching time in milliseconds, is finally usable. The two protocols introduced here are suitable for environments with a high or low interference caused by foreign WiFi networks. Regarding their performance modern protocols like DSR based on 802.11 and ETX metric are surpassed by far. Moreover, the latency is small and the TCP/IP protocol can be used in its unchanged form.