Details

Autor(en) / Beteiligte

• Khan, Rana Azeem Muhammad
• Karl, Holger
• Nolte, Jörg
• Dressler, Falko
• Plessl, Christian
• Böttcher, Stefan

Titel

MAC protocols for cooperative diversity in wireless sensor networks [Elektronische Ressource]

Erscheinungsjahr

2014

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• Volltext

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Beschreibungen/Notizen

• Tag der Verteidigung: 24.10.2014
• Paderborn, Univ., Diss., 2014
• Open Access
• ger: Kooperative Diversität (cooperative diversity) hat sich als aussichtsreiche Technik zur Vermeidung von Signalstärkenverlust (fading) in kabellosen Netzwerken erwiesen. In kooperativen Diversitätsprotokollen agieren Nachbarknoten als virtuelle Mehrfach-Ein-Ausgabe-Systeme (virtual multiple-input-multiple-output), welche mit Sende/Empfängerknoten kooperieren, um mehrfache Kopien eines Datenpakets zu übertragen. Dabei wird die übertragung von Daten zwischen zwei Knoten durch räumliche Diversität und mehrfachen Versand verbessert. Dies geschieht durch das Zusammensetzen der empfangenen Pakete beim Empfängerknoten zum ursprünglich verschickten Paket. In einem solchen System sind Medienzugriffsprokolle (Medium Access Control, MAC) notwendig zur Koordination und Datentransport. In dieser Arbeit untersuchen wir die Verbesserung der Zuverlässigkeit von drahtlosen Sensornetzen mit Hilfe von kooperativen MAC-Protokollen. Zunächst stellen wir ein Medienzugriffs-Kontrollprokoll names CPS-MAC vor. Das effiziente Aufwecken von Nachbarknoten wird hierbei ebenso adressiert wie die Minimierung das Stromverbrauchs und die korrekte Selektion eines Nachbarknotens innerhalb des Netzwerkes. Im nächsten Schritt stellen wir RCT-MAC (Reliable Cooperative Transmission-MAC) vor, welches die Funktionalität von CPS-MAC um Kooperation von Netzwerkknoten im Bedarfsfall erweitert. Wir vergleichen RCT-MAC mit konventionellen, nicht-kooperativen Protokollen wie B-MAC, L-MAC und IEEE 802.15.4. Zudem untersuchen wir den Abtausch von Zuverlässigkeit und Energieeffizienz. Schließlich untersuchen wir Methoden zur Vorhersage von Fehlern in der Datenübertragung zur Verbesserung der Wahl eines Kommunikationspartners im Rahmen des preamble samplings. Die Korrelation zwischen Handshake-Paketen (Präambel) und Datenpaketen wird anhand von empirischen Daten analysiert.
• eng: Cooperative diversity has emerged as a promising technique to combat fading and improve reliability in a wireless environment. In cooperative diversity protocols, neighboring nodes act as virtual multiple-input-multiple-output (VMIMO) systems, where they cooperate with the transmitter-receiver pair to deliver multiple copies of a packet to the receiver via spatially independent fading channels. These multiple copies of the same packet can be combined at the receiver to recover the original packet. Medium Access Control (MAC) protocols play an important part in realizing this concept by effectively coordinating handshake and transmissions between source, partner and destination nodes. In this thesis, we investigate opportunities for improving reliability in Wireless Sensor Networks using cooperative MAC protocols. First, a Medium Access Control protocol, called CPS-MAC, is proposed. Design challenges such as efficiently waking up neighborhood nodes, minimizing energy overhead, and partner selection are also addressed. Then, Reliable Cooperative Transmission-MAC (RCT-MAC) is proposed which extends the functionality of Cooperative Preamble Sampling-MAC (CPS-MAC) by implementing the Cooperation on Demand concept: nodes cooperate only when needed. Furthermore, RCT-MAC is one of the first attempts to compare the performance of a cooperative Wireless Sensor Network (WSN) MAC protocol against conventional protocols for WSNs namely B-MAC, L-MAC, and IEEE 802.15.4. The reliability vs energy efficiency tradeoff is analyzed for both CPS-MAC and RCT-MAC. Lastly, we evaluate a Packet Error Prediction scheme particularly envisioned for preamble sampling cooperative protocols and meant to supplement traditional partner selection schemes. The correlation between the handshake packets and data packets is analyzed using empirical data.