Random access for dense networks : Design and Analysis of Multiband CSMA/CA

par Baher Mawlawi

Thèse de doctorat en Traitement du signal et de l'image

Sous la direction de Jean-Marie Gorce.

Soutenue le 26-11-2015

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec CITI - Centre d'Innovation en Télécommunications et Intégration de services (Lyon, INSA) (laboratoire) et de CITI Centre of Innovation in Telecommunications and Integration of services / CITI (laboratoire) .

Le président du jury était Merouane Débbah.

Le jury était composé de Jean-Marie Gorce, Merouane Débbah, Marceau Coupechoux, Roberto Verdone, Jean-Pierre Cancès, Jean-Baptiste Doré, Isabelle Guérin-Lassous.

Les rapporteurs étaient Marceau Coupechoux, Roberto Verdone.

  • Titre traduit

    Accès aléatoire pour les réseaux chargés : Conception et Analyse du Multi bande CSMA/CA


  • Résumé

    Les protocoles de communications à accès aléatoires sont des candidats prometteurs pour les futurs systèmes de communications sans fil dédiés aux applications machine à machine (M2M). Ces méthodes d’accès sont généralement basées sur des techniques d'accès aléatoires mettant en œuvre des concepts simples de sondage de canal et de report de la transmission pour réduire les collisions, tout en évitant l'utilisation d'ordonnanceurs complexes. Parmi les différents protocoles, Carrier sense multiple access/collision avoidance with a Request-To-Send/Clear-To-Send (CSMA/CA-RTS/CTS) est un protocole qui pourrait être adopté pour les scénarios de M2M. Cette approche est efficace pour éviter les collisions entre les paquets de données. Cependant dans le cas d’un réseau très dense, les performances sont dégradées à cause de la forte probabilité de collisions. Pour atténuer cet effet, les collisions entre les messages de contrôles RTS doivent être réduites. Cette thèse propose de résoudre ce problème en divisant le canal commun en sous-canaux pour transmettre les messages de contrôle de demande d’accès au canal ; le canal commun est utilisé dans son ensemble pour la transmission de données. L’ajout d’un degré de liberté pour le message de demande d’accès permet de réduire la probabilité de collision, et donc d’améliorer les performances du système notamment dans des scénarios avec des nombres importants de nœuds souhaitant communiquer. Dans ce travail, nous dérivons ainsi une solution complète de méthode d’accès en s'appuyant sur le CSMA / CA - RTS / CTS et en multiplexant une configuration multi-canal pour les messages RTS et un canal unique pour la transmission de données. Une version améliorée, basée sur l'ordonnancement des utilisateurs, est également étudiée. Un modèle analytique a été développé, analysé et validé par simulations. Celui-ci est une extension du modèle Bianchi. Les performances en termes de débit saturé, de temps de transmission et de la probabilité de rejet de paquets sont discutées. Enfin, les impacts liés à la prise en compte d’une couche physique de type multi porteuses sont discutés dans le dernier chapitre.


  • Résumé

    Opportunistic protocols are promising candidates for future wireless systems dedicated to machine to machine (M2M) communication. Such protocols are usually based on a random access with simple techniques of medium sensing and deferring to reduce collisions while avoiding the use of complex schedulers. Among different protocols, Carrier sense multiple access/collision avoidance with a Request-To-Send/Clear-To-Send (CSMA/CA-RTS/CTS) is an opportunistic protocol which could be adopted for M2M scenarios. Such approach is efficient to avoid collisions between data packets but in a very dense network, the random access used to send the RTS suffers itself from a high probability of collision which degrades the performance. In order to mitigate this effect, RTS collisions should be reduced. This thesis proposes to address this issue by splitting the common channel in sub-channels for transmitting the RTS messages. While the common channel is used as a whole for data transmission. Multiple nodes can then contend in time and frequency for these RTS sub-channels, thereby reducing RTS collisions and increasing overall efficiency. In this work, we thus derive a complete protocol solution relying on CSMA/CA - RTS/CTS multiplexing a multi-channel configuration for RTS messages and a unique channel for data transmission. An enhanced version based on users scheduling is integrated as well. In this thesis, the proposed protocol is investigated from a joint PHY-MAC point of view. This strategy is shown to provide better system performance particularly for loaded networks. An accurate analytical model derived as a straightforward extension of the Bianchi model is analyzed and validated by simulations. Performance in terms of saturation throughput, transmission delay and packet drop probability is discussed.


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