Redes de acesso aleatório com capacidade de receção de múltiplos pacotes

Com o aumento do número de dispositivos móveis, os sistemas de comunicação sem fios têm evoluído de forma a aumentar os débitos de transferência de dados. Nos sistemas de comunicação sem fios tradicionais, um nó recetor apenas permite a receção de um sinal de cada vez (Single Packet Reception - SPR). Com o aparecimento de técnicas de receção múltipla (ex. CDMA, UWB, MU-MIMO), tornou-se possível a receção de múltiplos pacotes em simultâneo (Multipacket Reception - MPR). Porém, os protocolos de controlo de acesso ao meio (MAC) não foram adaptados de forma a tirar partido da capacidade de MPR no recetor. Esta dissertação aborda a condição de receção de múltiplos pacotes em simultâneo, caracterizando o número médio de pacotes recebidos, tendo em conta o número total de transmissões. A partir desta caracterização, é estudado o desempenho de três protocolos MAC. Os protocolos são baseados numa fase de negociação seguida de uma fase de transmissão. A caracterização do número médio de pacotes recebidos permite avaliar de uma forma integrada (nível físico e MAC) o desempenho dos diferentes protocolos MAC. Finalmente, a avaliação de desempenho evidencia o aumento de débito quando é utilizado MPR nas duas fases (negociação e transmissão), o que constitui um bom ponto de partida para o desenho de futuros protocolos MAC para sistemas MPR.

Estudo de desempenho de protocolos distribuídos de acesso ao meio em redes de rádio cognitivo

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - NEUF PTDC/EEA- TEL/120666/2010, ADIN PTDC/EEI-TEL/2990/2012 e MANY2COMWIN EXPL/EEI-TEL/0969/2013

Desempenho de sistemas de comunicações full-duplex

O aumento do volume de tráfego gerado em redes sem fios e a elevada taxa de ocupação do espectro Rádio-Eléctrico tem levado à procura e desenvolvimento de sistemas de elevada eficiência espectral. Recentemente, diversos grupos de investigação têm abordado a possibilidade de um dispositivo sem fios transmitir e receber dados em simultâneo na mesma banda. Estes dispositivos enquadram-se nos denominados “sistemas de comunicação Full-Duplex”, os quais, no limite, podem duplicar a capacidade da rede, quando comparados aos sistemas Half-Duplex. A grande dificuldade de implementação destes sistemas está associada ao cancelamento da auto-interferência. Esta interferência é provocada pela transmissão do próprio nó e, uma vez que apresenta uma potência muito superior à do sinal transmitido por outro dispositivo, impossibilita a captura desse sinal. Para permitir a transmissão e recepção de dados em simultâneo, os dispositivos Full-Duplex utilizam mecanismos de cancelamento do sinal auto-interferente, reduzindo-o para valores de potência próximos do nível de ruído. Nesta dissertação são abordados diversos tipos de mecanismos de redução da autointerferência, caracterizando as suas vantagens, desvantagens e limitações de utilização. De forma a estudar o funcionamento dos sistemas Full-Duplex, é caracterizado o efeito residual do cancelamento da auto-interferência e a capacidade de transmissão deste tipo de sistemas, incluindo a capacidade de recepção de múltiplos pacotes. Por fim, é proposto um protocolo de acesso ao meio para cenários onde vários dispositivos desejam comunicar com um nó receptor, utilizando um sistema de comunicação Full-Duplex.

Multipacket reception in the presence of in-band full-duplex communication

In-Band Full-DupleX (IB-FDX) is defined as the ability for nodes to transmit and receive signals simultaneously on the same channel. Conventional digital wireless networks do not implement it, since a node’s own transmission signal causes interference to the signal it is trying to receive. However, recent studies attempt to overcome this obstacle, since it can potentially double the spectral efficiency of current wireless networks. Different mechanisms exist today that are able to reduce a significant part of the Self- Interference (SI), although specially tuned Medium Access Control (MAC) protocols are required to optimize its use. One of IB-FDX’s biggest problems is that the nodes’ interference range is extended, meaning the unusable space for other transmissions and receptions is broader. This dissertation proposes using MultiPacket Reception (MPR) to address this issue and adapts an already existing Single-Carrier with Frequency-Domain Equalization (SC-FDE) receiver to IB-FDX. The performance analysis suggests that MPR and IB-FDX have a strong synergy and are able to achieve higher data rates, when used together. Using analytical models, the optimal transmission patterns and transmission power were identified, which maximize the channel capacity with the minimal energy consumption. This was used to define a new MAC protocol, named Full-duplex Multipacket reception Medium Access Control (FM-MAC). FM-MAC was designed for a single-hop cellular infrastructure, where the Access Point (AP) and the terminals implement both IB-FDX and MPR. It divides the coverage range of the AP into a closer Full-DupleX (FDX) zone and a farther Half-DupleX (HDX) zone and adds a tunable fairness mechanism to avoid terminal starvation. Simulation results show that this protocol provides efficient support for both HDX and FDX terminals, maximizing its capacity when more FDX terminals are used.

Desempenho de técnicas de acesso distribuído em sistemas de comunicação sem fios de múltipla receção

Nas redes sem fios tradicionais, os nós recetores permitem apenas uma única receção individual. Contudo com o aumento do número de dispositivos móveis nas redes sem fios, tem-se explorado novas técnicas que permitem múltiplas receções em simultâneo (Multipacket Reception) (MPR), tais como CDMA, OFDMA e MU-MIMO. Estas técnicas permitem melhorar o desempenho dos sistemas, aumentando também os débitos de transferências de dados. Apesar deste desenvolvimento, os protocolos de controlo de acesso ao meio não estão desenhados para suportar múltiplas receções, admitindo ainda os pressupostos originais. Isto faz com que se estejam a desperdiçar recursos do canal, não aproveitando ao máximo as capacidades que os sistemas MPR têm para oferecer. Nesta dissertação estuda-se a condição de receção com sucesso de múltiplas transmissões. Isto permite obter um modelo para caracterizar o número de transmissões recebidas com sucesso tendo em conta o número de nós que transmitem em simultâneo e modelando também a probabilidade de receção com sucesso individual. A partir desta caracterização, é verificado o desempenho de cinco protocolos MAC diferentes com suporte para múltiplas receções em simultâneo. Realizando uma avaliação integrada (tendo em conta o nível físico e o nível MAC) para os diferentes protocolos estudados, realiza-se uma avaliação comparativa relativamente ao débito atingido por cada um deles. Propõem-se por fim dois novos protocolos MAC com suporte para múltiplas transmissões em simultâneo para que se faça um melhor aproveitamento das capacidades permitidas pelos sistemas MPR, atingindo também melhores débitos.

Medium access control design for distributed opportunistic radio networks

Existing wireless networks are characterized by a fixed spectrum assignment policy. However, the scarcity of available spectrum and its inefficient usage demands for a new communication paradigm to exploit the existing spectrum opportunistically. Future Cognitive Radio (CR) devices should be able to sense unoccupied spectrum and will allow the deployment of real opportunistic networks. Still, traditional Physical (PHY) and Medium Access Control (MAC) protocols are not suitable for this new type of networks because they are optimized to operate over fixed assigned frequency bands. Therefore, novel PHY-MAC cross-layer protocols should be developed to cope with the specific features of opportunistic networks. This thesis is mainly focused on the design and evaluation of MAC protocols for Decentralized Cognitive Radio Networks (DCRNs). It starts with a characterization of the spectrum sensing framework based on the Energy-Based Sensing (EBS) technique considering multiple scenarios. Then, guided by the sensing results obtained by the aforementioned technique, we present two novel decentralized CR MAC schemes: the first one designed to operate in single-channel scenarios and the second one to be used in multichannel scenarios. Analytical models for the network goodput, packet service time and individual transmission probability are derived and used to compute the performance of both protocols. Simulation results assess the accuracy of the analytical models as well as the benefits of the proposed CR MAC schemes.