Titelaufnahme

Titel
Experimental evaluation of firefly synchronization and cooperative relaying in wireless networks / Dr. techn. Günther Brandner
VerfasserBrandner, Günther
Begutachter / BegutachterinBettstetter, Christian ; Bauch, Gerhard
ErschienenKlagenfurt, Januar 2015
Umfangxvi, 135 Seiten : Illustration, Diagramme
HochschulschriftAlpen Adria Universität Klagenfurt, Dissertation, 2015
Anmerkung
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)drahtloses Netzwerk / Glühwürmchen-Synchronisation / kooperatives Relaying / experimentelle Evaluierung
Schlagwörter (EN)wireless network / firefly synchronisation / cooperative relaying / experimental evaluation
Schlagwörter (GND)Funknetz / Synchronisierung
URNurn:nbn:at:at-ubk:1-2561 Persistent Identifier (URN)
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Experimental evaluation of firefly synchronization and cooperative relaying in wireless networks [20.05 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Forschung und Entwicklung in der Informationstechnik beschäftigt sich, unter anderem, mit der Modellierung von Konzepten und dem Entwurf von Kommunikationsprotokollen für drahtlose Übertragungstechniken und Netzwerke. Traditionell wird die Einsetzbarkeit und die Leistungsfähigkeit dieser Konzepte und Protokolle mit mathematischen Analysen oder mit Computersimulationen evaluiert. Die Entwicklung von programmierbaren Hochfrequenz-Sendern und -Empfängern - so genannte Software Radios - ermöglicht deren experimentelle Erprobung unter realistischen Rahmenbedingen. In dieser Doktorarbeit verwenden wir Software Radios um zwei dieser Konzepte unter realistischen Bedingungen zu erproben. Bei dem ersten Konzept handelt es sich um die sogenannte Glühwürmchen-Synchronisation. Dabei handelt es sich um eine von der Natur inspirierte Methode um Geräte in einem drahtlosen Netzwerk zu synchronisieren. Es gibt eine Unzahl an Arbeiten, die die Leistungsfähigkeit dieser Methode mit Hilfe von mathematischen Analysen oder Simulationen evaluieren. Die Anzahl an Arbeiten, die diese Methode unter realistischen Bedingungen testen, ist jedoch limitiert. Um diese Lücke zu verkleinern, testen wir diese Methode experimentell und evaluieren ihre Leistungsfähigkeit. Die Experimente zeigen, dass einige Faktoren die Leistungsfähigkeit negativ beinflussen. Allen voran wirken sich (leicht) unterschiedliche Taktraten zwischen den Geräten, bedingt durch Toleranzen in der Herstellung, negativ auf die Synchronisationsgenauigkeit aus. Diese Erkenntis inspirierte uns zur Entwicklung eines verteilen Algorithmus, welcher die Taktraten zwischen den Geräten anpasst und so die Synchronisationsgenaugkeit um ein Vielfaches verbessert. Bei dem zweiten Konzept handelt es sich um das des kooperativem Relayings. Die Idee dabei ist, dass die drahtlose Übertragung von Daten zwischen zwei Geräten, dem Sender und dem Empfänger, durch einen drittes Gerät, dem Relay, untersützt wird. Eine Vielzahl von mathematischen und simulativen Analysen zeigt die Vorteile dieses Konzepts. Forschungsarbeiten über deren experimentelle Evaluering, unter realistischen Rahmenbedingungen, sind jedoch, wie zuvor für die Glühwürmchen-Synchronisation, nicht vorhanden. Aus diesem Grund testen wir kooperatives Relaying in Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation. Wir führen dazu mehrere Messungen durch und evaluieren dessen Leistungsfähigkeit in Hinblick auf die Datenübertragungsrate. Im Besonderen gehen wir auf die Frage ein wie groß die Vorteile dieser Methode verglichen mit herkömmlichen Übertragungstechniken sind.

Zusammenfassung (Englisch)

The research community in the field of wireless communications is concerned with the modelling of concepts and the design of communication protocols. Traditionally, the applicability and the performance of these concepts and protocols are evaluated with theoretical considerations or with computer simulations. In recent years, however, the emergence of software radios facilitates their experimental evaluation in the intended application domain. In this thesis, we apply such radios to evaluate the performance of two concepts in wireless networks. The first concept is that of firefly synchronization, a bio-inspired method for synchronizing radios in a network in a completely distributed manner. We perform experiments and evaluate the performance of firefly synchronization with respect to synchronization convergence, precision and speed. The experiments show that several factors influence the performance of firefly synchronization, among which is, for example, the influence of non-homogeneous clock speeds of radios. The experiments clearly show that these non-homogeneous clock speeds limit the achievable synchronization precision. Inspired by this observation, we propose a distributed algorithm applicable to all firefly synchronization algorithms that exchange packets rather than pulses, to mitigate the detrimental effects of non-homogeneous clock speeds. Furthermore, the experiments also verify that the concept of stochastic interaction between the radios is important for achieving convergence of synchronization. A novel insight, however, is that the degree of stochastic interaction also impacts synchronization precision. The second concept is that of cooperative relaying, where a radio, called relay, helps out in transmitting data from a sender to a receiver. Many publications address the benefits of cooperative relaying from an analytical or simulative point of view. Real-world experiments and performance evaluations of cooperative relaying are, however, largely missing. To narrow this gap, we experimentally evaluate the performance of cooperative relaying in vehicular communications. Several measurement campaigns are conducted and the performance of cooperative relaying is evaluated and compared to that of time diversity, where the same data is sent twice with some time interval between the transmissions. The experiments show, that for vehicular environments with high temporal correlation of packet delivery, the duration of this time interval plays an important role in whether or not cooperative relaying outperforms time diversity in terms of packet delivery ratio.

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