Forwarding Capacity in Large Wireless Multihop Networks - A Computational Approach

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Virtamo, Jorma, Professor (emer.), Aalto University, Finland
dc.contributor.advisor Lassila, Pasi, Docent, Aalto University, Finland
dc.contributor.author Nousiainen, Jarno
dc.date.accessioned 2013-06-25T09:00:21Z
dc.date.available 2013-06-25T09:00:21Z
dc.date.issued 2013
dc.identifier.isbn 978-952-60-5235-9 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5234-2 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10331
dc.description.abstract Wireless multihop networks are networks without any fixed infrastructure. This thesis concentrates on a network consisting of a plethora of immobile nodes communicating with each other over a shared wireless channel. The intrinsic nature of the shared wireless channel makes it difficult to efficiently avoid interference between the transmissions, and the exact capacity of such a network is in many respects an open question. At first, we characterize the capacity problem in a massively dense wireless network where a separation of scales emerges, and the problem can be separated into two different subproblems. The two subproblems loosely correspond to routing at the global scale and forwarding at the local scale. We focus on the latter one and study the microscopic level multidirectional forwarding capacity problem that considers an infinitely large network's capability to relay information. Because of the complexity of analyzing a large random network and wireless interference, the main approach is to construct algorithms that produce numerical bounds or estimates for the forwarding capacity, and simulate them for large network realizations. The methods used for studying the forwarding capacity are presented in two parts. The first part considers the instantaneous forwarding capacity. The instantaneous forwarding capacity can be achieved temporarily but cannot be maintained for a longer time period. It is a natural upper bound for the actual forwarding capacity and can be analyzed with more complex ways of modeling interference, such as the SINR-based models, in addition to the simple Boolean interference model. The actual forwarding capacity with multihop traffic under the Boolean interference model is considered in the second part. In this part, the upper bound provided by the instantaneous capacity is tightened for a small number of neighbor nodes, where it is less accurate. We also provide a lower bound that shows a notable improvement compared with previous results for uncoordinated opportunistic forwarding. Finally, an estimate is found for the forwarding capacity. The dependence of the estimate on the directional distribution of the traffic is studied to determine the possible gain from interleaving traffic in different directions compared with time sharing between the directions. Eventually, it is illustrated how the results for the forwarding capacity can be used with the macroscopic level results to obtain the total capacity of a large wireless network. The thesis hence makes it possible to calculate a numerical estimate for the total capacity. en
dc.description.abstract Langattomat monihyppyverkot ovat verkkoja, joilla ei ole kiinteää rakennetta. Tämä työ tarkastelee verkkoa, joka koostuu suuresta joukosta liikkumattomia päätelaitteita, jotka kommunikoivat keskenään käyttäen yhteistä langatonta kanavaa. Tämä jaettu media tekee lähetysten välisten häiriöiden tehokkaan välttämisen vaikeaksi, ja kyseisen verkon tarkka kapasiteetti on siksi monelta osin avoin kysymys. Aluksi työssä luonnehditaan kapasiteettiongelmaa massiivisen tiheässä langattomassa verkossa, jossa voidaan erottaa mikroskooppinen ja makroskooppinen mittakaava, ja verkon kapasiteetin maksimointi jakautuu kahdeksi erilliseksi ongelmaksi. Nämä kaksi aliongelmaa vastaavat löyhästi kokonaistason reititystä ja paikallisen tason välitystä. Tämä työ keskittyy jälkimmäiseen ja tutkii mikroskooppisen tason monisuuntaista välityskapasiteettiongelmaa, joka käsittelee äärettömän suuren verkon kykyä välittää informaatiota. Suurten satunnaisten verkkojen ja langattoman häiriön analysoinnin vaikeudesta johtuen ongelmaa on lähestytty konstruoimalla algoritmeja, jotka tuottavat numeerisia ylä- tai alarajoja tai estimaatteja väli-tyskapasiteetille, ja simuloimalla niitä suurissa verkkorealisaatioissa. Välityskapasiteetin tutkimisessa käytetyt menetelmät on esitetty kahdessa osassa. Ensim-mäinen osa käsittelee hetkellistä välityskapasiteettia. Hetkellinen välityskapasiteetti voidaan saavuttaa tilapäisesti, mutta sitä ei voida ylläpitää pidempiä ajanjaksoja. Se on luonnollinen yläraja todelliselle välityskapasiteetille, ja sitä voidaan analysoida myös monimutkaisemmilla häiriömalleilla, kuten signaalin ja häiriön suhteeseen perustuvilla malleilla, yksinkertaisen Boolen häiriömallin lisäksi. Toisessa osassa tarkastellaan todellista välityskapasiteettia monihyppyiselle liikenteelle, kun häiriömalliksi oletetaan Boolen malli. Tässä osassa hetkellisen kapasiteetin muodostamaa ylärajaa tiukennetaan naapurisolmujen lukumäärän ollessa pieni, jolloin se on löyhä. Lisäksi annetaan alaraja, joka on huomattava parannus verrattuna aikaisempiin tuloksiin koordinoi-mattomalle opportunistiselle välitykselle. Seuraavaksi työssä esitetään arvio välityskapasitee-tista. Arvion riippuvuutta liikenteen suuntajakaumasta tutkitaan, jotta voidaan määrittää erisuuntaisten liikennevirtojen yhdistämisestä saatava mahdollinen hyöty verrattuna aikaja-koon suuntien välillä. Lopuksi havainnollistetaan, kuinka välityskapasiteetille tuotetut tulokset voidaan yhdistää makroskooppisen tason tulosten kanssa suuren langattoman verkon koko-naiskapasiteetin määrittämiseksi. Työ siis paitsi valottaa kapasiteetin muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä myös mahdollistaa numeerisen arvion laskemisen kokonaiskapasiteetille. fi
dc.format.extent 138 + app. 86
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 107/2013
dc.relation.haspart [Publication 1]: Jarno Nousiainen, Jorma Virtamo and Pasi Lassila. Forwarding Capacity of an Infinite Wireless Network. In Proceedings of the 11th ACM International Conference on Modeling, Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems (MSWiM ’08), pages 177–184, Vancouver, Canada, October 2008.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Jarno Nousiainen and Pasi Lassila. Approximating Maximum Directed Flow in a Large Wireless Network. In Proceedings of the IEEE International Conference on Communications (ICC ’09), pages 1–6, Dresden, Germany, June 2009.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Jarno Nousiainen, Jorma Virtamo and Pasi Lassila. MaximumWeight Independent Sets in an Infinite Plane. In Proceedings of the 21st International Teletraffic Congress (ITC 21), pages 1–8, Paris, France, September 2009.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Jarno Nousiainen, Jorma Virtamo and Pasi Lassila. On the Achievable Forwarding Capacity of an Infinite Wireless Network. In Proceedings of the 13th ACM International Conference on Modeling, Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems (MSWiM ’10), pages 151–159, Bodrum, Turkey, October 2010.
dc.relation.haspart [Publication 5]: Jarno Nousiainen, Jorma Virtamo and Pasi Lassila. Maximum Weight Independent Sets in an Infinite Plane with Uni- and Bidirectional Interference Models. Annals of Telecommunications, volume 66, numbers 1–2, pages 119–132, February 2011.
dc.relation.haspart [Publication 6]: Jarno Nousiainen, Jorma Virtamo and Pasi Lassila. Optimal Transmission Modes by Simulated Annealing. In Proceedings of the 6th ACM Workshop on Performance Monitoring and Measurement of Heterogeneous Wireless and Wired Networks (PM2HW2N ’11), pages 101–108, Miami Beach, FL, USA, October 2011.
dc.relation.haspart [Publication 7]: Jarno Nousiainen, Pasi Lassila and Jorma Virtamo. Instantaneous Forwarding Capacity under the SINR Threshold Interference Model. In Proceedings of the 11th Annual Mediterranean Ad Hoc Networking Workshop (Med-Hoc-Net 2012), pages 67–74, Ayia Napa, Cyprus, June 2012
dc.relation.haspart [Publication 8]: Jarno Nousiainen, Jorma Virtamo and Pasi Lassila. Multidirectional Forwarding Capacity in a Massively Dense Wireless Network. In Proceedings of the 24th International Teletraffic Congress (ITC 24), pages 1–8, Krakow, Poland, September 2012.
dc.subject.other Telecommunications engineering en
dc.title Forwarding Capacity in Large Wireless Multihop Networks - A Computational Approach en
dc.title Suuren langattoman monihyppyisen verkon välityskapasiteetin määrittäminen fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Communications and Networking en
dc.subject.keyword forwarding capacity en
dc.subject.keyword wireless multihop networks en
dc.subject.keyword massively dense networks en
dc.subject.keyword scheduling en
dc.subject.keyword spatial reuse en
dc.subject.keyword välityskapasiteetti fi
dc.subject.keyword langattomat monihyppyverkot fi
dc.subject.keyword massiivisen tiheät verkot fi
dc.subject.keyword aikataulutus fi
dc.subject.keyword spatiaalinen uudelleenkäyttö fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5235-9
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Aalto, Samuli, Prof., Aalto University, Finland
dc.opn Bonald, Thomas, Prof., Télécom ParisTech, France
dc.rev Toumpis, Stavros, Prof., Athens University of Economics and Business, Greece
dc.rev Mannersalo, Petteri, Doctor, VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
dc.date.defence 2013-06-28


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account