An analysis of IEEE 802.11 EDCA ad-hoc networks in the presence of hidden nodes

Abstract

This dissertation deals with quality of service (QoS) provisioning in IEEE 802.11 ad-hoc networks with hidden nodes. In particular, it focuses on the Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) function of the Medium Access Control (MAC) layer of the IEEE 802.11 standard. The following thesis was formulated and proved: It is possible to improve the performance of the EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) function by modifying the IEEE 802.11 standard in order to improve the efficiency of ad-hoc networks with hidden nodes. Furthermore, in such networks, it is possible to improve the fairness of traffic prioritising for the access categories defined in the IEEE 802.11 standard. The thesis is proved by the proposed BusySiMOn mechanism, which implements an intelligent two-step reservation procedure combined with the advantages of EDCA service differentiation. It is shown that when BusySiMOn is applied, the overall throughput, fairness and maximum frame delay are improved in comparison* to the four-way handshake mechanism. Additionally, a novel mathematical model of the IEEE 802.11 EDCA function is proposed. The proposed model can be used for rapid estimation of throughput of ad-hoc networks for the basic and the four-way handshake based channel access. It is kept reasonably simple to make it attractive to network designers.

W niniejszej rozprawie postawiono i udowodniono następującą tezę: Możliwe jest polepszenie działania trybu EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) poprzez modyfikację standardu IEEE 802.11 w celu zwiększenia wydajności pracy sieci ad-hoc w przypadku występowania w tych sieciach stacji ukrytych. Możliwa jest też poprawa różnicowania ruchu dla kategorii dostępu do kanału radiowego zdefiniowanych przez standard IEEE802.il dla tych sieci. W rozdziale pierwszym, zawarto wprowadzenie do tematyki prezentowanej w rozprawie oraz przedstawiono listę artykułów opublikowanych przez autorkę w ramach tej tematyki. W rozdziale drugim przedstawiono tryb DCF (Distributed Coordination Function) standardu IEEE 802.11, omówiono w jaki sposób tryb EDCA zapewnia QoS oraz wyjaśniono problem stacji ukrytych oraz jawnych. Rozdział trzeci opisuje zalety i wady protokołów poprawiających działanie sieci ad-hoc ze stacjami ukrytymi. W kolejnych dwóch rozdziałach, przedstawiono oryginalne badania oraz główne osiągnięcia naukowe rozprawy. W rozdziale czwartym wykazano problemy z zapewnieniem QoS przez tryb EDCA. Rozdział piąty przedstawia opis nowego protokołu — BusiSiMOn (Busy Signal-based Mechanism turned On), który działa lepiej niż tryb EDCA. Rozdział szósty zawiera podsumowanie osiągnięć opisanych w rozprawie oraz opis kierunku przyszłych badań. W załączniku pierwszym przedstawiono szczegółowe wyniki badań dla protokołu BusySiMOn i trybu EDCA. W załączniku drugim opisano nowy model matematyczny trybu EDCA. Załącznik trzeci zawiera poprawione fragmenty kodu oraz oryginalne rozszerzenie symulatora ns-2.