MMLAB 1

2004 ETRI-SNU 과제 최종발표회

이정근 , 이호진 , 조기덕서울대학교 MMLAB

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

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Downlink Node Cooperation with node selection schemes

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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

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RX node cooperation to enhance downlink capacity

Virtual Antenna Array: special form of cooperative communication

Amplify and Forwa

rd

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Node Cooperation

Cluster / Group Closely packed nodes Benefit from the antenna diversity among themselves (node cooperatio

n) is deemed to form a cluster.

Wireless technologies convergence Co-existence of various wireless communication technologies ; Wi-Fi, ce

llular networks, and Bluetooth networks Equip a mobile node (laptop, palmtop, PDA, etc) with multiple wireless c

ommunication 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

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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

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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

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Down Link Capacity

Performance with different

is noise amplification factor

Relayed Signal at the destination node

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Node cooperation Downlink capacity

N = # of nodes

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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

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Performance of node selection schemes

In terms of Inter-Cluster distance

BS power = 1, Relaying Power = 1/10

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Performance of node selection schemes

In terms of Intra-cluster distance

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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

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Performance Degradation in Multihop Wireless Networks with DATA and VOI

CE mixed traffic

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내용 서론 데이터와 보이스 혼재시 히든 노드 문제

패킷 크기에 따른 히든 노드의 영향력 보이스 세션의 영향력

HMAC(Hidden-aware MAC) 성능평가 결론

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서론 히든 노드 문제

멀티 홉 무선망에서 성능하락의 주 원인 4 way-handshake 로도 완벽히 해결되지 않음 기존의 연구에서는 패킷 특성을 고려하지 않음

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패킷 크기에 따른 히든 노드의 영향력 (1/2)

ns-2, 802.11(1Mbps), AODV 메인 플로우 : CBR 1500bytes, 1Mbps 히든 플로우의 rate 는 64Kbps 로 고정

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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 load 가 커지면 히든 노드의 영향력이 커질 것이라고 예상

히든 플로우의 offered load 가 작아도 패킷 크기가 작으면 영향력이 상당히 커짐 ! => VoIP!!!( 보이스 )

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보이스 세션의 영향력 (1/2)

Main Flow Data : CBR, 200Kbps, 1500bytes

Hidden Flow Voice :CBR, 64Kbps, 80bytes, or Data : CBR 64Kbps, 1500bytes

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보이스 세션의 영향력 (2/2)

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

5 DATA sessions(200 Kbps) 5 DATA sessions(200 Kbps) + 1 DATAsession(64Kbps)

5 DATA sessions(200 Kbps) + 1 VOICEsession(64 Kbps)

thro

ughp

ut (

Kb

ps)

64 Kbps sessionDATA session 5DATA session 4DATA session 3DATA session 2DATA session 1

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HMAC(1/4)

상대적으로 RTS 패킷의 전송 성공율은 높음 CTS 정보를 relay 하게 !

각 노드는 자신의 위치를 알고 있는 것 가정 Hello msg 에 자신의 위치 정보 추가 => 이웃의 위치

또한 알게됨

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HMAC(2/4)

1. 이웃노드가 hidden node 의 피해를 받는지 detect2. 이웃노드가 hidden node 의 피해를 받고 자신의 다른

이웃이 피해를 주는 것이면 피해 받는 이웃 노드에게 report

3. 피해 받는 이웃 노드는 report 를 받고 RelayList 갱신

4. RTS 수신시 RelayList 검색5. Relay list 에 relay node 가 존재하면 sendHCTS()6. 존재하지 않으면 sendCTS()

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HMAC(3/4)

T R I H

CTSI 는 CTS 를 overhear 하고

CTS.Duration, CTS.RA, CTS.RL, CTS.TA 저장

Data

TA(transmitter address), RL(receiver location) 추가

CollisionR 이 CTS.Duration 이 지나기 전에 ACK 을 전송하지 않으므로

충돌 detect

REP RA(:CTS.TA - R), TA( I), DTA(Degraded Transmitter

Address:CTS.RA - T)

RelayList Update

DTA <- REP.DTA(T) RNA <- REP.RA(I) TS <- N

OW

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HMAC(4/4)

T R I H

RTS

HCTS

RTS.TA(T) 를 키로 해서 Relay List 검색

Data

ACK

NAV

set

TA(R), RA(T), RNA <-RelayRlist.RNA(I)

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Result(1/2)

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Result(2/2)

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

800.00

900.00

802.11 HMAC

thro

ughp

ut (

Kb

ps) VOICE Session

DATA session 5DATA session 4DATS session 3DATA session 2DATA session 1

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Conclusion

Offered load 가 동일하더라도 packet 크기에 따른 히든 노드의 영향력 차이 지적

Voice Session 의 해악 지적 간단한 해결 알고리즘 제안

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DCMA: MIMO 애드혹 통신망을 위한 분산 비동기 MAC

프로토콜

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서론 (1/2)

기존 연구들 스마트 지향성 안테나에 대한 연구 활발 MIMO 에 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

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서론 (2/2)

자유도 K 개의 안테나를 가진 MIMO 안테나 시스템 : 자유도 K (degre

e of freedom) K 개의 신호를 받거나 제거할 수 있다 모든 Rx 노드 j 의 주변에서 이루어지고 있는 전송에 사용되는

안테나의 숫자 Ti 의 합보다 Rx 노드 j 의 자유도 Kj 가 크거나 같으면 주변에서 이루어지고 있는 전송을 성공적으로 제거하면서 자신의 전송을 할 수 있게 된다 .

, i jTX node i

for RX node j T K

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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

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DCMA-MAC : Operation Scenario

A(1)B(4)

C(3) D(2)

E(2)

R : RTS C : CTS P : PTS T : Training Sequence

R(1)

T DATA

E : Control

Data

C(2,0) ACKD : Control

R(2)

T DATA

C : Control

Data

C(1,0) ACKP(1)C(1,3) ACKB : Control P(0)

R(1)

T DATA

A : Control

Data DATA DATA

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ACK 의 문제 ACK 의 역할

전송이 성공적이었음을 알림 노드의 자유도를 주변 노드에 알려줌

ACK 가 겹치지 않도록 하기 위해 RTS, CTS 의 duration 정보 이용 다른 전송과 ACK 가 겹치지 않으면 전송을 시작할 수 있다

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Hidden Node Problem

Hidden Node Problem A 노드가 B 노드에게 전송 C 노드가 전송을 한다면 충돌

DCMA-MAC Training 이 되어 있다면 충돌이 일어나지 않는다 충돌의 개념을 바꾸었음

A(1)B(4)

C(3) D(2)

E(2)

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Exposed Node Problem Exposed Node Problem

B 노드가 A 노드에게 전송 B 노드의 RTS 를 들은 C 노드는 전송을 할 수 없다

DCMA-MAC Data 채널과 Control 채널 분리 C 노드의 데이터 전송과 A 노드의 ACK 가 충돌할 수 없으므로 전송

가능

A(1)B(4)

C(3) D(2)

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성능 평가 자유도 1 일 때

DCMA 와 802.11 DCF with SM 이 차이가 없음

자유도 2 이상 DCMA 가 802.11 DCF

보다 좋은 성능을 보임 자유도가 커지면서 동시에

허용할 수 있는 전송의 숫자가 많아짐

Spatial reuse 증가

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1 2 3 4

DOFs of B

Thro

ughp

ut(b

its/s

ec))

DCMA 802.11 DCF with SM

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결론 DCMA-MAC

MIMO 안테나의 SM 기술을 이용 Data 채널 , Control 채널 Heterogeneous Network Asynchronous Network Exposed node problem Hidden node problem

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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

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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