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Esposizione riassuntiva

L’obiettivo di questa tesi è discutere le prestazioni ottenibili nelle reti IEEE 802.11,prendendo in considerazione sia la loro simulazione ed analisi sperimentale, sia gliaspetti implementativi. Il contributo originale di questa tesi include tre argomentiprincipali che riguardano le reti wireless distribuite: l’analisi sperimentale e teori-ca delle reti 802.11e che adottano meccanismi di qualità del servizio, lo sviluppo ela simulazione di schemi di accesso multiplo retrocompatibili basati sull’utilizzo disistemi di antenne intelligenti, e, infine, l’implementazione su piattaforme software-defined radio del livello fisico 802.11ag.

Il materiale proposto in questa tesi è il frutto di un periodo di studio della duratadi tre anni condotto presso il gruppo telecomunicazioni del Dipartimento di Inge-gneria e Architettura dell’Università degli Studi di Trieste durante il Dottorato di Ri-cerca in Ingegneria dell’Informazione. L’attività ha incluso un periodo svolto pressoil Forschungszentrum Telekommunikation Wien (FTW) di Vienna.

La disponibilità di connessioni wireless è diventata di vitale importanza, non so-lo per la realizzazione di connessioni a lunga distanza, ma anche per la fornitura diconnettività dell’ultimo miglio e mobile. L’utilizzo delle reti wireless viene preferitoa quello delle reti cablate, perche la posa in opera di queste ultime è molto spessodifficoltosa e presenta dei costi a volte elevati. In alcuni casi le reti wireless vengo-no utilizzate principalmente per offrire connettività ai dispositivi mobili in contesticentralizzati e distribuiti. Grazie alla crescente richiesta di contenuti multimediali, lereti wireless si trovano a dover garantire prestazioni elevate. La comunità scientificaè impegnata a definire e sviluppare protocolli di accesso per le reti wireless. In questosenso, negli ultimi decenni alcuni dei protocolli sviluppati sono stati accettati comestandard da istituti come l’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE),l’European Telecommunications Standards Institute (ETSI), l’International Organi-zation for Standardization (ISO), e molti altri. Inoltre, consorzi costituiti dalle mag-giori aziende di telecomunicazioni hanno definito standard proprietari richiesti daparticolari esigenze dettate dal mercato. Al giorno d’oggi, i protocolli disponibili sidifferenziano per le loro applicazioni. La classificazione può essere effettuata con-siderando il massimo throughput ottenibile, il raggio di copertura, il consumo ener-getico, ed i costi di posa in opera. Infatti, non tutte le tecnologie wireless disponibilisi prestano ad essere utilizzate in ogni situazione. Per questo motivo gli standardGlobal System for Mobile communications (GSM), Universal Mobile Telecommuni-cations System (UMTS), e il Long Term Evolution (LTE) sono utilizzati nella telefonia

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e per la connettività degli utenti mobili. Diversamente, gli standard IEEE 802.15.4,ZigBee, e Wireless Highway Addressable Remote Transducer (WirelessHART) sonoprevalentemente utilizzati nelle applicazioni industriali e nell’assistenza sanitaria.In questi ambiti il basso consumo energetico, il basso throughput e la copertura li-mitata sono le principali caratteristiche richieste. Tra gli standard di reti wireless piùdiffusi è possibile citare l’IEEE 802.11 con le sue numerose estensioni. Ogni estensio-ne è caratterizzata da determinate specifiche. In particolare, gli standard 802.11abgnsono molto diffusi nei dispositivi attualmente in commercio, come computer porta-tili, smartphone e tablet. Essi sono in grado di fornire una velocità di trasmissioneadeguata per usufruire della connettività ad internet a medio raggio ed all’interno diedifici. I nodi IEEE 802.11abg sono tipicamente dotati di una singola antenna om-nidirezionale. Le antenne omnidirezionali possono essere sostituite dalle antennedirezionali quando è richiesta la presenza di diagrammi di radiazione direttivi, comeper esempio nei collegamenti a lunga distanza, nella settorizzazione delle celle, etc.Grazie alla nascita dello standard IEEE 802.11n i dispositivi possono essere dotati didue o più antenne per trasmettere e ricevere repliche del segnale con l’intento di in-crementare l’affidabilità e/o la capacità della rete. Infatti, lo standard IEEE 802.11nadotta soluzioni Multiple Input Multiple Output (MIMO) per realizzare diversità e/omultiplazione spaziale. Questa tecnologia ad antenne multiple viene tipicamenteutilizzata per i nodi che coordinano le reti centralizzate, mentre i dispositivi mobilirimangono generalmente equipaggiati con antenne omnidirezionali.

Nello scenario distribuito i nodi IEEE 802.11 equipaggiati con antenne omnidire-zionali sono in grado di accedere al canale uno per volta. Infatti, il protocollo 802.11si basa sulla misura della potenza presente sul canale per valutare se quest’ultimo èlibero o no. Questo tipo di approccio, che prevede comunicazioni singole, può esseremigliorato abilitando comunicazioni simultanee sulla rete. Come descritto in prece-denza, le antenne omnidirezionali possono essere sostituite con antenne che offronodiagrammi di radiazione direttivi. Antenne in grado di utilizzare diagrammi direzio-nali permettono il riutilizzo spaziale dello spettro di frequenza. In questo modo sipuò ottenere la coesistenza di diverse comunicazioni simultanee nella stessa area.Le antenne direttive forniscono diagrammi di radiazione fissi, mentre al contrario si-stemi avanzati di antenne sono in grado modificare elettronicamente i diagrammi,permettendo così il puntamento del lobo principale verso la direzione desiderata. Lasintesi di tali diagrammi viene eseguita tramite algoritmi di beamforming che risie-dono nell’unità di elaborazione presente sul sistema d’antenna stesso.

Il primo argomento considerato in questa tesi riguarda il confronto tra i risulta-ti analitici e sperimentali ottenuti in reti IEEE 802.11e in presenza di meccanismi dipriorità. Lo stesso setup sperimentale è stato utilizzato per realizzare un’analisi noninvasiva delle schede di rete, finalizzata alla valutazione dell’affidabilità dei disposi-tivi wireless in commercio.

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La progettazione e lo sviluppo di due nuovi protocolli di accesso multiplo sono ilsecondo, nonché il principale, argomento della tesi. Le soluzioni proposte presenta-no un incremento delle prestazioni ed un’equa distribuzione delle risorse tra i nodiequipaggiati con antenne omnidirezionali e quelli equipaggiati con sistemi avanza-ti di antenne. I due protocolli sviluppati sono il risultato dell’analisi dei problemiche possono presentarsi al livello 2 quando vengono utilizzate antenne direzionali.Vengono presentate diverse strategie di progettazione che cercano di ridurre alcunemancanze del protocollo, come il problema del terminale nascosto e della sordità,che portano ad una diminuzione delle prestazioni. Due diverse piattaforme di simu-lazione vengono utilizzate per la valutazione delle prestazioni dei protocolli svilup-pati, modellizzando opportunamente il sistema d’antenna e l’ambiente di propaga-zione. Gli schemi di accesso sono sviluppati con riferimento a reti wireless asincro-ne ed eterogenee. Il termine asincrono denota una rete completamente distribuita.Infatti, l’assenza dell’unità centrale che coordina le comunicazioni permette ai sin-goli nodi di tentare la trasmissione in istanti di tempo diversi. La rete in questioneè considerata inoltre eterogenea, perché i nodi possono essere equipaggiati con di-versi sistemi d’antenna. Il lavoro presentato si occupa dello sviluppo di protocolli diaccesso al canale che utilizzano sistemi avanzati di antenne e mantengono la retro-compatibilità con i nodi muniti di antenne omnidirezionali.

Il terzo argomento presentato nella tesi fa riferimento all’implementazione soft-ware di un rice/trasmettitore completo per reti wireless. L’implementazione vienerealizzata su piattaforme software-defined radio rispettando le restrizioni richiestedall’esecuzione in tempo reale. Le ultime evoluzioni dell’attività di ricerca riguarda-no lo sviluppo ed il test di protocolli adatti alle reti wireless di nuova generazione.

La tesi è organizzata in due parti. La prima parte introduce gli argomenti diinteresse per l’attività di ricerca svolta, che sarà poi descritta nella seconda parte.La seconda parte comprende la presentazione dei risultati ottenuti durante il pe-riodo di Dottorato. Con riferimento alla prima parte, il primo capitolo comprendeuna descrizione estesa del sottolivello accesso e del livello fisico dello standard IEEE802.11, considerando l’estensione IEEE 802.11e per la qualità del servizio e la catenadi trasmissione e ricezione delle estensioni IEEE 802.11ag. Inoltre, il primo capito-lo identifica l’ambiente di propagazione adottato e fornisce una descrizione di basedei sistemi di antenne intelligenti. La descrizione comprende lo stato dell’arte delleestensioni dell’802.11 che utilizzano sistemi avanzati d’antenna. Il secondo capitolosi concentra sul software, sui driver e sulle applicazioni utilizzate nella tesi. In par-ticolare questo capitolo descrive gli strumenti di simulazione utilizzati per valutarele prestazioni delle reti e gli strumenti per effettuare le misure sperimentali. Inoltre,questo capitolo presenta il concetto di software-defined radio, fornendo la descrizio-ne di una tecnica di ottimizzazione per la parallelizzazione dell’elaborazione dei dati

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che permette di rispettare i vincoli di esecuzione in tempo reale.La seconda parte della tesi presenta i risultati originali ed è divisa in quattro ulte-

riori capitoli. Il terzo capitolo presenta il confronto tra le misure ottenute dal setupsperimentale e i risultati ottenuti dal modello analitico sviluppato per reti 802.11e.L’analisi teorica effettuata sugli intervalli tra trasmissioni successive è confrontatacon lo studio sperimentale degli intervalli di inter-arrivo per ottenere un metodo divalutazione dell’uniformità della distribuzione del backoff implementata sulle pe-riferiche wireless 802.11. Questo confronto statistico è stato effettuato, in quantoalcuni produttori di dispositivi 802.11 adottano distribuzioni di backoff non unifor-mi, diversamente da quanto specificato dallo standard 802.11. Il quarto capitolo de-scrive le due piattaforme di simulazione sviluppate. La prima è ottenuta integrandoMATLAB nel simulatore di rete open-source network simulator 2 (ns2), mentre la se-conda è stata sviluppata integrando Octave con ns2. Le due piattaforme sono un’e-stensione del simulatore ns2 che permettono di considerare in dettaglio il sistemad’antenna ed il canale di propagazione. In questo caso è possibile simulare in mo-do più realistico reti eterogenee 802.11 in presenza di sistemi di antenne intelligenti.Il quinto capitolo si occupa del supporto per le comunicazioni simultanee nelle retiwireless ottenute grazie alle antenne adattative. In questo capitolo sono presenta-ti e simulati due protocolli di accesso retrocompatibili che abilitano la comunica-zione multi-pacchetto. Il sesto capitolo descrive l’implementazione su piattaformesoftware-defined radio della catena di trasmissione e ricezione dello standard IEEE802.11ag, grazie alla quale si vogliono soddisfare i vincoli richiesti dall’esecuzione intempo reale. Infine, il settimo capitolo riassume il contributo di questa tesi, ripor-tando le conclusioni principali.

L’obiettivo di questa tesi è fornire una valutazione numerica e sperimentale delleprestazioni delle reti IEEE 802.11 distribuite, concentrandosi, al sottolivello accesso,sulla qualità del servizio e sui requisiti di throughput, e, a livello fisico, sull’imple-mentazione dei protocolli.

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Summary

The objective of this thesis is to discuss the performance achieved by IEEE 802.11networks, considering in detail their simulation and experimental analysis, as well asthe implementation aspects. The original contribution of this dissertation involvesthree main research fields within the context of distributed wireless networks: the ex-perimental and theoretical analysis of IEEE 802.11e networks in presence of qualityof service mechanisms, the development and the simulation of backward compatiblemedium access control protocols in presence of smart antenna systems, and, finally,the implementation of the IEEE 802.11ag physical layer on software-defined radioplatforms.

The material presented in this dissertation is the result of a three-year study periodat the Telecommunication Group of the Department of Engineering and Architectureof the University of Trieste during the Doctorate in Information Engineering. Fewmonths of the Ph.D. studies have been carried out at the Telecommunications Re-search Center in Vienna (FTW).

The availability of wireless connections is essential not only to cover large dis-tances, but also for providing last-mile and broadband connectivity. Wireless com-munications are preferably adopted instead of wired connections, since the latterare typically difficult to deploy and/or can be too expensive in some scenarios. Fur-thermore, wireless networks are used to provide services for mobile devices, in cent-ralized and distributed environments. With the increasing demand for multimediacontents, wireless communications must now guarantee a higher network perform-ance. The research community is focusing a lot of efforts for defining and developingaccess protocols for wireless networks. Thus, in last decades some of the designedprotocols have been officially accepted as standards by the Institute of Electrical andElectronics Engineers (IEEE), the European Telecommunications Standards Institute(ETSI), the International Organization for Standardization (ISO), and other organiz-ations. Additionally, associations between several companies have adopted propri-etary protocols in order to cope with particular requirements dictated by the market.Nowadays, the available wireless protocols differ in their application field. A classi-fication may be based on the maximum obtainable throughput, the range extension,the power consumption, and the deployment costs. In fact, all the available wirelesstechnologies are not suitable for being used in all environments. Concerning thispoint, the Global System for Mobile communications (GSM), the Universal MobileTelecommunications System (UMTS), and the Long Term Evolution (LTE) standards

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are adopted to provide telephony and connectivity to mobile users. By contrast, theIEEE 802.15.4, the ZigBee, and the Wireless Highway Addressable Remote Transducer(WirelessHART), are mostly used in industry and healthcare applications, where lowconsumption, low throughput and short ranges are the main characteristic aspects.One of the most popular family of wireless standards is the IEEE 802.11x one. Thisfamily collects many amendments, where each single extension deals with differ-ent capabilities and targets different goals. In particular, the IEEE 802.11abgn stand-ards are at the moment implemented on commercial devices, personal computers,smartphones, and tablets, distributed all around the world for providing a data ratesufficient for allowing Internet connectivity in middle range areas and inside build-ings. The IEEE 802.11abg nodes are developed to work typically with single omni-directional antennas. Omnidirectional antennas are replaced by directional ones,when radiation pattern directivity is required for a specific purpose, i.e. long distancelinks, area sectorization, etc. With the rise of IEEE 802.11n wireless devices may beequipped with two or more antennas for transmitting and receiving multiple signalreplicas in order to increase the connection reliability and/or the network through-put. In fact, the IEEE 802.11n adopts Multiple Input Multiple Output (MIMO) solu-tions to exploit diversity and spatial multiplexing. However, this multi-antenna tech-nology is usually adopted for the coordinating node in centralized networks, whilethe wireless clients typically remain equipped with omnidirectional antennas.

In distributed scenarios, IEEE 802.11 nodes equipped with omnidirectional an-tennas are able to access the channel one at a time. In fact, the IEEE 802.11 protocolperforms power sensing to assess whether the channel is idle or not. However, thisapproach, based on a single wireless communication, may be improved by enablingthe network to sustain multiple communications at the same time. As mentioned be-fore, omnidirectional antennas may be replaced by antennas able to provide direc-tional radiation patterns. In this sense, directional radiation patterns enable spatialreuse of the frequency spectrum, thus enabling the coexistence of several simultan-eous communications within the same area. Instead of adopting directional anten-nas, whose radiation pattern is fixed, using an advanced antenna system offers anelectrically tunable radiation pattern, whose main lobe may be steered towards thedirection of the desired destination. The synthesis of the radiation pattern can beperformed by using beamforming algorithms that operate in the signal processingunit of the antenna system itself.

The first topic addressed in this thesis concerns the comparison between the ana-lytical and experimental results obtained for the prioritized access adopted in theIEEE 802.11e amendment. Additionally, the deployed experimental setup is used asa not invasive system for testing the reliability of commercial wireless devices.

The design and the simulation of two novel medium access protocols for nodes

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equipped with advanced antenna systems represent the second topic, and the maincontribution of this dissertation. The proposed solutions provide a performance in-crease and are able to guarantee a fair coexistence between the nodes with omnidi-rectional antennas and those with advanced antenna systems. The two developedprotocols are the result of the analysis of the problems that can appear at the OpenSystems Interconnection (OSI) layer 2 when directional antennas are used. A designstrategy is presented in order to reduce the system drawbacks, such as hidden ter-minal and deafness, that may lead to a performance decrease. Two simulation toolsare used to assess the performance of the proposed protocols, accounting for ad-vanced antenna systems and realistic propagation models. The network environ-ment in which the developed access schemes operate is an asynchronous hetero-geneous network. The term asynchronous reflects the fact that the analyzed networkis completely distributed. In fact, since the communications are not coordinated bya central unit, the nodes can perform the transmission attempts in different time in-stants. Besides, the considered network is heterogeneous, since different nodes canbe equipped with different antenna systems. The presented work focuses on the de-velopment of channel access protocols using advanced antenna systems to increasethe network performance, while maintaining backward compatibility with the nodesrelying on omnidirectional antennas.

The third topic of this dissertation focuses on the software implementation ofa complete wireless transceiver. The implementation is carried out on software-defined radio platforms fulfilling real-time constraints. This latter contribution stepsinto the software-defined radio concept for developing and testing protocols suitablefor future wireless networks.

The thesis is organized in two parts. The first part provides the background ma-terial and introduces the topics that will be of interest for the research contributiondescribed in the second part. The second part is dedicated to the original resultsobtained during the Ph.D. studies. With reference to the first part, the first chapterincludes an extended description of the IEEE 802.11 medium access control andphysical layers, considering the IEEE 802.11e extension for the support of qualityof service mechanisms and the IEEE 802.11ag transmit and receive chains. Besides,the first chapter identifies the propagation environment, describing the fundament-als of smart antenna systems, and providing a literature overview on the proposed802.11 extensions using adaptive arrays. The second chapter focuses on the software,drivers and applications adopted in this thesis. In particular, this chapter describesthe software tools used to simulate the network performance, and those employedto obtain experimental network measurements. Additionally, this chapter provides adescription of the software-defined radio concept, discussing an optimization tech-nique adopted for parallelizing the data processing in order to respect real-time con-

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straints.The second part presents the original results and consists of four chapters. The

third chapter presents a comparison between the measurements obtained by a de-ployed experimental setup and the results obtained by a developed analytical modelfor 802.11e networks. In addition, a theoretical analysis, which is performed on theintervals between consequent transmissions, is compared to the experimental in-vestigation of the inter-transmission intervals, in order to develop a method able todiscover if the backoff distribution implemented in a given 802.11 wireless card isuniformly distributed or not. A statistical comparison between analysis and meas-urements is performed, since some manufacturers, differently from what stated bythe 802.11 standard, adopt non-uniform backoff distribution in their 802.11 devices.The fourth chapter describes two network simulation platforms, one obtained by in-tegrating MATLAB with Network Simulator 2 (ns2) and the second one developedintegrating Octave with ns2. Both platforms are extensions of the open source net-work simulator ns2, and allow considering in detail the channel-antenna character-istics of each node in order to properly simulate 802.11 heterogeneous networks inthe presence of smart antenna systems. The fifth chapter deals with the support ofmultiple communications in a wireless network, which are enabled by the use ofsmart antenna systems. In this chapter two backward compatible medium accessprotocols enabling multi-packet communication are presented and simulated. Thesixth chapter describes the implementation of the IEEE 802.11ag transmit and re-ceive chains on a software-defined radio platform, with the aim of achieving a real-time decoding performance. Finally, the seventh chapter summarizes the thesis con-tributions and the most relevant conclusions.

The purpose of this work is to provide a numerical and experimental assessmentof IEEE 802.11 distributed networks, focusing, at medium access control sublayer, onthe quality of service and the throughput requirements, and, at physical layer, on theprotocols’ implementation.

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List of publications

Journal Papers

• F. Babich, M. Comisso, M. D’Orlando, and A. Dorni, “Deployment of a Reli-able 802.11e Experimental Setup for Throughput Measurements”, Wiley Wire-less Communications and Mobile Computing, DOI:10.1002/wcm.1026.

• F. Babich, M. Comisso, A. Dorni, F. Barisi, M. Driusso, and A. Manià, “Discrete-Time Simulation of Smart Antenna Systems in Network Simulator-2 Using MAT-LAB and Octave”, Simulation: Transactions of The Society for Modeling andSimulation International, DOI:10.1177/0037549710387762.

• F. Babich, M. Comisso, E. Valentinuzzi, A. Dorni, A. Suriano, and M. Davanzoand A. Dorni, “Numerical and Experimental Characterization of Antenna Posi-tioning in a Dual-Radio Mesh Router”, AEU International Journal of Electronicsand Communications, DOI:10.1016/j.aeue.2011.08.001.

• F. Babich, M. Comisso, A. Crismani, and A. Dorni, “On the Design of MAC Proto-cols for Multi-Packet Communication in IEEE 802.11 Heterogeneous NetworksUsing Adaptive Antenna Arrays”, submitted to IEEE Trans. on Mobile Comput-ing.

Conference Proceedings

• F. Babich, M. Comisso, A. Dorni, and M. Driusso, “Open Source Simulation ofSmart Antenna Systems in Network Simulator-2 Using Octave”, in IEEE Inter-national Symposium on Wireless Pervasive Computing (ISWPC), Modena, Italy,5-7 May 2010.

• F. Babich, M. Comisso, and A. Dorni, “A Practical Method for Verifying the Uni-formity of the Backoff Distribution in 802.11 Network Cards”, in IEEE Interna-tional Conference on Communications (ICC), Cape Town, South Africa, 23-27May 2010.

• F. Babich, M. Comisso, and A. Dorni, “A PHY Design for Asynchronous Multi-Packet Reception in 802.11 Heterogeneous Networks”, in IEEE Vehicular Tech-nology Conference (VTC), Budapest, Hungary, 15-18 May 2011.

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• F. Babich, M. Comisso, and A. Dorni, “Multi-Packet Communication in 802.11Networks: A MAC/PHY Backward Compatible Solution”, in IEEE Global Tele-communications Conference (GLOBECOM), Houston, Texas (USA), 4-9 Dec.2011.

• F. Babich, M. Comisso, and A. Dorni, “A Novel SIR-Based Access Scheme forMulti-Packet Communication in 802.11 Networks”, in IEEE International Con-ference on Communications (ICC), Ottawa, Canada, 10-15 Jun. 2012.

• G. Zacheo, D. Djukic, A. Dorni, F. Babich, and F. Ricciato, “A Software-DefinedRadio Implementation of an 802.11 OFDM Physical Layer Transceiver”, in IEEEInternational Conference on Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA),Krakow, Poland, 17-21 Sept. 2012.

• F. Babich, and M. Comisso, A. Crismani, and A. Dorni, “Multi-Packet Commu-nication in 802.11 Networks by Spatial Reuse: from Theory to Protocol”, accep-ted in IEEE International Conference on Communications (ICC) 2013.

National Workshops• F. Babich, M. Comisso, A. Dorni, F. Barisi, M. Driusso, and A. Manià, “Discrete-

Time Simulation of Smart Antenna Systems in Network Simulator-2 Using MAT-LAB and Octave”, in Workshop Reti.it, Bormio (Italy), 13-15 Jan. 2010.

• F. Babich, M. Comisso, A. Dorni, E. Valentinuzzi, and A. Suriano, “Numericaland Experimental Electromagnetic Characterization of Antenna Positioning ina Dual-Radio Mesh Router”, in Workshop Reti.it, Bormio (Italy), 13-15 Jan. 2010.

• A. Dorni, F. Babich, and M. Comisso, “Numerical Implementation of Multi-Packet Reception for the IEEE 802.11 MAC/PHY Layers”, in EuroNF Workshopon Wireless and Mobility in the Network of the Future, Como (Italy), 21-22 Jun.2010.

• A. Dorni, F. Babich, and M. Comisso, “A MAC/PHY Simulation Platform forMulti-Packet Reception in 802.11 Networks”, in Riunione annuale GTTI, Bres-cia (Italy), 21-23 Jun. 2010.

• F. Babich, M. Comisso, and A. Dorni, “An 802.11-based MAC Protocol for Distri-buted Wireless Networks Using Adaptive Antenna Arrays”, in Workshop Reti.it,Cavalese (Italy), 12-14 Jan. 2011.

• F. Babich, M. Comisso, and A. Dorni, “A Novel Access Scheme with LocalizationCapabilities for Multi-Packet Communication in WiFi Networks”, in WorkshopReti.it, Courmayeur (Italy), 11-13 Jan. 2012.

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