Network design, channel access and time synchronization for multi-hop wireless mash networks

par Bachar Wehbi

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Ana Cavalli.

Soutenue en 2008

à Evry, Institut national des télécommunications .

mots clés

• Réseaux ad hoc (informatique)
• Architecture des réseaux d'ordinateurs
• Synchronisation
• Réseaux locaux sans fil

Titre traduit

Conception de réseau, accès canal et synchronisation d'horloge pour les réseaux maillés sans fil

Résumé

Le succès de la norme IEEE 802. 11 pour les communications sans fil a motivé les mondes académiques et industriels à la fois pour répondre à de nouveaux modèles et architectures de réseaux basé sur des technologies sans fil uniquement. En particulier, les réseaux ad hoc sans fil étaient le sujet de nombreuses études durant la dernière décennie grâce à leur architecture sans infrastructure. Toutefois, les réseaux ad hoc ne parviennent pas à fournir une certaine garantie de service en raison de la mobilité des nœuds et du fort dynamisme de leur topologie. Les réseaux maillés sans fil se basent sur les réseaux ad hoc pour construire une architecture de réseau à deux niveaux afin de fournir un réseau d’accès pour des utilisateurs équipés avec des cartes WIFI classiques. Les réseaux maillés sans fil ont fait l’objet de nombreuses recherches au cours des dernières années pour leur capacité à offrir une alternative intéressante pour la construction des réseaux communautaires et des réseaux d’accès à l’Internet. Malgré la quantité énorme de recherches sur les réseaux sans fil multi sauts et plus particulièrement, les réseaux maillées, de nombreuses problèmes techniques liées à leur conception et leur performance persistent toujours. Dans cette thèse, nous nous intéressons à deux des aspects complémentaires des réseaux maillés sans fil: (1) la conception d’une architecture et le développement de mécanismes qui améliorent les performances de l’accès au canal, et (2) la synchronisation d’horloge dans les réseaux maillés et plus généralement dans les réseaux sans fil multi sauts. Nous concevons une solution efficace pour améliorer l’accès au canal en exploitation les diversités dans le medium sans fil ainsi qu’en coordonnant l’accès au canal entre les différents nœuds. Nous proposons un mécanisme de synchronisation d’horloge pour les réseaux sans fil multi sauts qui permet de fournir une précision de l’ordre de la microseconde. Plus précisément, nous fournissons les contributions suivantes : premièrement, la proposition de ReactiveMesh, notre conception pour les réseaux maillés qui comporte la gestion des clients et le support de mobilité afin de maintenir la connectivité des clients. Deuxièmement, la conception de TAR et de ReDEx, deux mécanismes complémentaires d’accès au canal. TAR améliore le débit global du réseau ainsi que son équité par la coordination des transmissions entre les différents nœuds du réseau. D’autre part, ReDEx exploite la diversité des récepteurs dans le medium sans fil afin d’améliorer le débit individuel de chaque nœud d’une part, et de résoudre le problème de blocage de IEEE 802. 11 d’autre part. Troisièmement, la conception et la mise en œuvre de MTS, un mécanisme de synchronisation d’horloge, qui exploite la nature hertzienne des communications sans fil pour fournir une précision de l’ordre de la microseconde. MTS permet la mise en place des applications les plus contraignantes de point de vue de besoins de synchronisation. Cette thèse présente des contributions qui touchent de nombreux aspects allant de la conception des réseaux sans fil, à l’évaluation et l’amélioration des performances, et enfin à la synchronisation d’horloge. Elle touche des aspects théoriques dans la formalisation de REDEX et de MTS et des questions pratiques dans la conception de ReactiveMesh et l’implantation de MTS. Les évaluations des idées sont aussi variées : des chaîne de Markov sont utilisés pour la modélisation de REDEX, des simulations réseaux sont utilisées pour la validation de TAR et MTS, et finalement une implantation réelle de MTS est produite pour prouver sa faisabilité.

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Résumé

The success of IEEE 802. 11 standard for wireless communications has motivated both the academia and the industry to address new designs and network architectures based solely over wireless solutions. In particular, wireless adhoc networks captured the interest for many years now thanks to their infrastructure-less architecture. However, adhoc networks fail to provide any service guarantee due to the mobility of nodes and the high dynamics in their topology. Wireless mesh networks try to use adhoc networks to build a two-tier architecture to provide network access to conventional wireless equipped users. Wireless Mesh networks has been the focus of many researches in the last few years for their potentials in providing an attractive alternative for building community networks and for last mile Internet access. Despite the enormous amount of research on wireless multi-hop networks and more recently on mesh networks, many technical design and performance related issues are preventing its widespread deployment. In this thesis we tackle two independent and yet complementary aspects of wireless mesh networks: (1) the wireless mesh architecture design and performance improvement, and (2) the time synchronization in mesh networks and more generally in multi-hop networks. We design an efficient solution for improving the network channel access by exploiting the diversities in the wireless medium and coordinating the access between the different nodes. We propose an accurate multi-hop time synchronization mechanism that provides accuracy in the order of microseconds. More precisely, we provide the following contributions. First, the proposition of ReactiveMesh, a complete design for mesh networks including client management and mobility support in order to maintain seamless connectivity of the clients. Second, we design TAR and ReDEx, two complementary channel access schemes. TAR improves the network global throughput and the fairness by coordinating the channel access between the different network nodes, while ReDEx exploits the diversities in the wireless medium to improve the nodes’ individual throughputs and solve the HOL blocking problem of IEEE 802. 11. Third, the design and implementation of MTS, an accurate time synchronization mechanism, that exploits the broadcast nature of the wireless medium to provide up to a microsecond level accuracy. MTS allows the implementation over a mesh network of any application requiring accurate synchronized time. This thesis presents contributions that affect many aspects of wireless networks design, performance evaluation and improvement, and finally time synchronization. It addresses theoretical aspects in the formalization of ReDEx and MTS and practical issues in the design of ReactiveMesh and the implementation of MTS. The evaluation work ranges from Markov chain modeling of ReDEx to simulations of TAR and MTS and finally to real implementation of MTS.