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2004 ETRI-SNU 과제 최종발표회

2004 ETRI-SNU 과제 최종발표회. 이정근 , 이호진 , 조기덕 서울대학교 MMLAB 2005.1.25. Contents. Downlink Node Cooperation with node selection schemes Performance Degradation in Multihop Wireless Networks with DATA and VOICE mixed traffic DCMA: Distributed and Asynchronous MAC protocol for MIMO ad hoc networks

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2004 ETRI-SNU 과제 최종발표회

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Presentation Transcript

  1. 2004 ETRI-SNU 과제 최종발표회 이정근, 이호진, 조기덕 서울대학교MMLAB 2005.1.25 MMLAB

  2. Contents • Downlink Node Cooperation with node selection schemes • Performance Degradation in Multihop Wireless Networks with DATA and VOICE mixed traffic • DCMA: Distributed and Asynchronous MAC protocol for MIMO ad hoc networks • Results MMLAB

  3. Downlink Node Cooperation with node selection schemes MMLAB

  4. Cooperative Communication • Transmit (Spatial) Diversity effectively combat the effects of channel fading • Cooperative Communication • Single-antenna mobiles in a multi-user scenario can “share” their antennas in a manner that creates a virtual MIMO system MMLAB

  5. RX node cooperation to enhance downlink capacity • Virtual Antenna Array: special form of cooperative communication Amplify and Forward MMLAB

  6. Node Cooperation • Cluster / Group • Closely packed nodes • Benefit from the antenna diversity among themselves (node cooperation) is deemed to form a cluster. • Wireless technologies convergence • Co-existence of various wireless communication technologies ; Wi-Fi, cellular networks, and Bluetooth networks • Equip a mobile node (laptop, palmtop, PDA, etc) with multiple wireless communication interfaces • Goal • Our goal is to extend the node cooperation for ad hoc networks to a infrastructure-based wireless networks • Also show how to form a cluster of wireless nodes by adaptively using MIMO antenna selection schemes MMLAB

  7. System Model • Only Downlink RX cooperation • Inter-cluster and intra-cluster channels are orthogonal • Inter-cluster distance >> intra-cluster distance • Inter-cluster channel gain is normalized to one • Intra-cluster channel gain is G MMLAB

  8. Intra-Cluster Channel • Optimal Multiplexing • Allocation of optimal rates (referring to section without any multiplexing overhead such as guard time in TDMA ) • Theoretical upper bound • The achievable rate sum MMLAB

  9. Down Link Capacity • Performance with different • Relayed Signal at the destination node is noise amplification factor MMLAB

  10. Node cooperation Downlink capacity N = # of nodes MMLAB

  11. Clustering with node selection • The destination node forms a receiving cluster by selecting the "best" N relaying nodes out of neighboring nodes. • reduce the size, complexity, and thus cost of cooperation, due to the requirement of multiple RF chains. • Optimum node selection • select those neighbor nodes that allow a maximization of the rate, thus computationally intensive • Channel correlation based selection (CBM) • Eliminate those nodes whose channel vector has large mutual information or correlation with other node’s channel • Mutual information based method (MIBM) • Eliminate those nodes whose channel vector has large mutual information or correlation with other node’s channel • Relaying power based selection (PBM) • Select nodes with highest received signal power MMLAB

  12. Performance of node selection schemes • BS power = 1, Relaying Power = 1/10 In terms of Inter-Cluster distance MMLAB

  13. Performance of node selection schemes In terms of Intra-cluster distance MMLAB

  14. Conclusion • The receiver cooperation gives the same advantage gains to multiple-antenna receiving in MIMO system • Except the cost due to relaying received signals to the target node • Node selection is needed to reduce this cost effectively • Suboptimal selection algorithms • RPBM, CBM, MIBM • Performance in cooperative systems act much differently as it is applied to MIMO systems MMLAB

  15. Performance Degradation in Multihop Wireless Networks with DATA and VOICE mixed traffic MMLAB

  16. 내용 • 서론 • 데이터와 보이스 혼재시 히든 노드 문제 • 패킷 크기에 따른 히든 노드의 영향력 • 보이스 세션의 영향력 • HMAC(Hidden-aware MAC) • 성능평가 • 결론 MMLAB

  17. 서론 • 히든 노드 문제 • 멀티 홉 무선망에서 성능하락의 주 원인 • 4 way-handshake로도 완벽히 해결되지 않음 • 기존의 연구에서는 패킷 특성을 고려하지 않음 MMLAB

  18. 패킷 크기에 따른 히든 노드의 영향력(1/2) • ns-2, 802.11(1Mbps), AODV • 메인 플로우: CBR 1500bytes, 1Mbps • 히든 플로우의 rate는 64Kbps로 고정 MMLAB

  19. 패킷 크기에 따른 히든 노드의 영향력(2/2) • 결과 분석 • 1500bytes 패킷 전송 시간: 1500 x 8 / 1Mbps = 12msec 이상(헤더 길이 포함시 패킷 길이 더 길어짐) • 64Kbps, 80bytes => 10msec 간격으로 패킷 전송 • => 반드시 충돌 발생! • 직관적으로 히든 플로우의 offered load가 커지면 히든 노드의 영향력이 커질 것이라고 예상 • 히든 플로우의 offered load가 작아도 패킷 크기가 작으면 영향력이 상당히 커짐! => VoIP!!!(보이스) MMLAB

  20. 보이스 세션의 영향력(1/2) • Main Flow • Data : CBR, 200Kbps, 1500bytes • Hidden Flow • Voice :CBR, 64Kbps, 80bytes, or • Data : CBR 64Kbps, 1500bytes MMLAB

  21. 보이스 세션의 영향력(2/2) MMLAB

  22. HMAC(1/4) • 상대적으로 RTS 패킷의 전송 성공율은 높음 • CTS 정보를 relay하게! • 각 노드는 자신의 위치를 알고 있는 것 가정 • Hello msg에 자신의 위치 정보 추가 => 이웃의 위치 또한 알게됨 MMLAB

  23. HMAC(2/4) • 이웃노드가 hidden node의 피해를 받는지 detect • 이웃노드가 hidden node의 피해를 받고 자신의 다른 이웃이 피해를 주는 것이면 피해 받는 이웃 노드에게 report • 피해 받는 이웃 노드는 report를 받고 RelayList 갱신 • RTS 수신시 RelayList 검색 • Relay list에 relay node가 존재하면 sendHCTS() • 존재하지 않으면 sendCTS() MMLAB

  24. CTS Data REP HMAC(3/4) TA(transmitter address), RL(receiver location)추가 T R I H I는 CTS를 overhear하고CTS.Duration, CTS.RA, CTS.RL, CTS.TA 저장 Collision R이 CTS.Duration이 지나기 전에 ACK을 전송하지 않으므로 충돌 detect RA(:CTS.TA - R), TA( I), DTA(Degraded Transmitter Address:CTS.RA - T) RelayList Update DTA <- REP.DTA(T) RNA <- REP.RA(I) TS <- NOW MMLAB

  25. RTS HCTS Data ACK HMAC(4/4) T R I H RTS.TA(T)를 키로 해서 Relay List 검색 TA(R), RA(T), RNA <-RelayRlist.RNA(I) NAV set MMLAB

  26. Result(1/2) MMLAB

  27. Result(2/2) MMLAB

  28. Conclusion • Offered load가 동일하더라도 packet 크기에 따른 히든 노드의 영향력 차이 지적 • Voice Session의 해악 지적 • 간단한 해결 알고리즘 제안 MMLAB

  29. DCMA: MIMO 애드혹 통신망을 위한 분산 비동기 MAC 프로토콜 MMLAB

  30. 서론(1/2) • 기존 연구들 • 스마트 지향성 안테나에 대한 연구 활발 • MIMO에 대한 연구는 아직 초기 단계 • 동기화된 패킷 전송 가정 • 중앙관리적 동작 • MIMO Spatial Multiplexing • 하나의 채널을 통해 독립적인 여러 개의 스트림을 보낸다 • 노드들의 동기화가 필요없는 Heterogeneous 네트워크 환경에서의 통신을 위한 ad hoc MAC 프로토콜을 제시한다 • DCMA-MAC: Dual Channel Multiple Antennas MAC MMLAB

  31. 서론(2/2) • 자유도 • K개의 안테나를 가진 MIMO 안테나 시스템 : 자유도 K (degree of freedom) • K개의 신호를 받거나 제거할 수 있다 • 모든 Rx 노드 j의 주변에서 이루어지고 있는 전송에 사용되는 안테나의 숫자 Ti의 합보다 Rx 노드 j의 자유도 Kj가 크거나 같으면 주변에서 이루어지고 있는 전송을 성공적으로 제거하면서 자신의 전송을 할 수 있게 된다. MMLAB

  32. DCMA-MAC : Basic Idea • 2 channels • Control channel : RTS, CTS, PTS, ACK • Data channel : Data • RTS, CTS • 안테나의 숫자를 나타내는 필드 추가 • RTS : 자신이 전송에 사용할 안테나 숫자 표시 • CTS : 전송에 사용하는 안테나, 남은 안테나 숫자 표시 • New Control message • PTS : 수신 중에 안테나를 추가로 사용하는 경우 MMLAB

  33. DCMA-MAC : Operation Scenario MMLAB

  34. ACK의 문제 • ACK의 역할 • 전송이 성공적이었음을 알림 • 노드의 자유도를 주변 노드에 알려줌 • ACK가 겹치지 않도록 하기 위해 • RTS, CTS의 duration 정보 이용 • 다른 전송과 ACK가 겹치지 않으면 전송을 시작할 수 있다 MMLAB

  35. Hidden Node Problem • Hidden Node Problem • A 노드가 B 노드에게 전송 • C 노드가 전송을 한다면 충돌 • DCMA-MAC • Training이 되어 있다면 충돌이 일어나지 않는다 • 충돌의 개념을 바꾸었음 MMLAB

  36. Exposed Node Problem • Exposed Node Problem • B 노드가 A노드에게 전송 • B 노드의 RTS를 들은 C노드는 전송을 할 수 없다 • DCMA-MAC • Data 채널과 Control 채널 분리 • C노드의 데이터 전송과 A노드의 ACK가 충돌할 수 없으므로 전송 가능 MMLAB

  37. 성능 평가 • 자유도 1일 때 • DCMA와 802.11 DCF with SM이 차이가 없음 • 자유도 2이상 • DCMA가 802.11 DCF보다 좋은 성능을 보임 • 자유도가 커지면서 동시에 허용할 수 있는 전송의 숫자가 많아짐 • Spatial reuse 증가 MMLAB

  38. 결론 • DCMA-MAC • MIMO 안테나의 SM 기술을 이용 • Data 채널, Control 채널 • Heterogeneous Network • Asynchronous Network • Exposed node problem • Hidden node problem MMLAB

  39. Results • Jeongkeun Lee, Sungjin Kim, Taekyoung Kwon, and Yanghee Choi, Jaewook Shin and Aesoon Park, "Downlink Node Cooperation with Node Selection Diversity" to appear in Proc. IEEE VTC 2005-Spring, Stockholm, Sweden, May 2005. • 조기덕, 이정근, 권태경, 최양희, 신재욱, 박애순, "DCMA: MIMO 애드혹 통신망을 위한 분산 비동기 MCA 프로토콜," 통신학회 추계종합학술대회, 대전, November, 2004. PDF • 이호진, 이정근, 최낙중, 권태경, 최양희, 신재욱, 박애순, "멀티 홉 무선망에서 데이터와 보이스 혼재시 급격한 성능 하락," 통신학회 추계종합학술대회, 대전, November, 2004. • 이정근, 권태경, 최양희, 신재욱, 박애순, "Performance Improvement Using Receiver Node Selection in Receiver Cooperative Downlink Systems," 통신학회 추계종합학술대회, 대전, November, 2004. PDF MMLAB

  40. 2005 MMLAB Research Agenda • Sensor Tracking & Localization • Non-cooperative enemy target tracking • Energy-efficient localization & reporting • Energy-efficient sensor deployment • Test-bed system using Berkeley MOTE • Cross-layer approach to MANET • Improve spatial reuse factor in layer 2 and 3 • P2P Overlay network • Mobility management • New Architecture MMLAB

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