The wireless medium is lossy due to many reasons, such as signal attenuation, multi-path propagation, and collisions. Wireless losses degrade network throughput, reliability, and latency. The goal of this dissertation is to combat wireless losses by developing effective techniques and protocols across different network layers. First, a novel opportunistic routing protocol is developed to overcome wireless losses at the network layer. Opportunistic routing protocols exploit receiver diversity to route traffic in the face of loss. A distinctive feature of the protocol is the performance derived from its optimization can be achieved in real IEEE 802.11 networks. At its heart lies a simple yet realistic model of the network that captures wireless interference, losses, traffic, and MAC-induced dependencies. Then a model-driven optimization algorithm is designed to accurately optimize the end-to-end performance, and techniques are developed to map the resulting optimization solutions to practical routing configurations. Its effectiveness is demonstrated using simulation and testbed experiments. Second, an efficient retransmission scheme (ER) is developed at the link layer for wireless networks. Instead of retransmitting lost packets in their original forms, ER codes packets lost at different destinations and uses a single retransmission to potentially recover multiple packet losses. A simple and practical protocol is developed to realize the idea, and it is evaluated using simulation and testbed experiments to demonstrate its effectiveness. Third, detailed measurement traces are collected to understand wireless losses in dynamic and mobile environments. Existing wireless drivers are modified to enable the logging and analysis of network activity under varying end-host configurations. The results indicate that mobile clients can suffer from consecutive packet losses, or burst errors. The burst errors are then analyzed in more detail to gain further insights into the problem. With these insights, recommendations for future research directions to mitigate loss in mobile environments are presented. / text

Le sujet de cette thèse est l'évaluation par simulation des performances des systèmes radiotelephoniques. En première partie, on présente les différentes techniques d'accès multiple. En deuxième partie, on applique une méthode de modélisation en deux phases inspirée des techniques d'agrégation à un réseau radiotelephonique cellulaire. La dernière partie concerne l'évaluation des performances d'un algorithme de contrôle des retransmissions dont l'intérêt est de prendre en compte le phénomène de capture

Abstract In this thesis we study the spatial throughput of interference-limited wireless networks from different perspectives, considering that the spatial distribution of nodes follows a 2-dimensional homogeneous Poisson point process and transmitters employ Gaussian point-to-point codes. To carry out this analysis, we model the interrelations between network elements using concepts from stochastic geometry, communication theory and information theory. We derive closed-form equations to compute/approximate the performance metric that is chosen to evaluate the system for each given specific scenario. Our first contribution is an investigation about whether it is preferable to have a large number of short single-hop links or a small number of long hops in multi-hop wireless networks, using a newly proposed metric denominated aggregate multi-hop information efficiency. For single-hop systems, we revisit the transmission capacity framework to study medium access protocols that use asynchronous transmissions and allow for packet retransmissions, showing when a carrier sensing capability is more suitable than synchronous transmissions, and vice-versa. We also cast the effective link throughput and the network spatial throughput optimization problems to find the combination of medium access probability, coding rate and maximum number of retransmissions that maximize each metric under packet loss and queue stability constraints, evincing when they do (and do not) have the same solution. Furthermore we analyze the expected maximum achievable sum rates over a given area – or spatial capacity – based on the capacity regions of Gaussian point-to-point codes for two decoding rules, namely (i) treating interference as noise (IAN) and (ii) jointly detecting the strongest interfering signals treating the others as noise (OPT), proving the advantages of the second. We additionally demonstrate that, when the same decoding rule and network density are considered, the spatial-capacity-achieving scheme always outperforms the spatial throughput obtained with the best predetermined fixed rate strategy. With those results in hand, we discuss general guidelines on the construction of ad hoc adaptive algorithms that would improve the information flow throughout the interference network, respecting the nodes’ internal and external constraints. / Tiivistelmä Tässä työssä tutkitaan häiriörajoitteisten langattomien verkkojen tila-alueen suorituskykyä, olettaen verkkosolmujen sijoittuvan 2-ulotteisen Poissonin pisteprosessin mukaisesti, sekä olettaen lähettimien hyödyntävän Gaussisia pisteestä-pisteeseen -koodeja. Suorituskykyanalyysi pohjautuu stokastiseen geometriaan, tietoliikenneteoriaan sekä informaatioteoriaan. Suljetun muodon suorituskyky-yhtälöitä hyödyntäen arvioidaan suorityskykymetriikoita eri skenaarioissa. Työn aluksi esitetään uusi monihyppyverkkojen informaatiotehokkuuteen perustuva metriikka. Sen avulla voidaan tutkia onko tehokkaampaa käyttää useita lyhyen hypyn linkkejä vai pienempää määrää pidempien hyppyjen linkkejä. Yhden hypyn verkoissa tutkitaan mediaanpääsyprotokollia asynkronisissa verkoissa pakettien uudelleenlähetykseen perustuen ja verrataan tätä synkroniseen lähetykseen ilman vapaan kanavan tunnistusmekanismia. Työssä tutkitaan myös linkin efektiivisen suorituskyvyn ja verkon tila-alueen suorituskyvyn optimointia, jotta sopiva yhdistelmä mediaan pääsyn todennäköisyydelle, koodausnopeudelle ja uudelleenlähetysten maksimilukumäärälle löytyisi ja samalla maksimoisi jokaisen käytetyn metriikan ehdollistettuna paketin menetyksille ja jonon stabiilisuudelle. Lisäksi arvioidaan maksimaalista odotettavaa nettosiirtonopeutta tietyllä alueella, eli tila-alueen kapasiteettia, Gaussimaisen pisteestä-pisteeseen koodien kapasiteettialueisiin perustuen kahta eri dekoodaussääntöä hyödyntäen: (i) olettaen häiriön olevan kohinaa tai (ii) ilmaisemalla voimakkaimmat häiriösignaalit ja olettaen muiden olevan kohinaa. Jälkimmäinen osoittautui tehokkaammaksi menetelmäksi. Työssä osoitetaan myös, että samalla dekoodaussäännöllä ja verkon tiheydellä tila-alueen kapasiteetin saavuttava menetelmä on aina tehokkaampi kuin tavanomainen tila-alueen suorituskykyyn perustuva kiinteän siirtonopeuden menetelmä. Saavutettujen tulosten valossa työssä esitetään yleisiä suunnittelumenetelmiä mukautuville ad hoc -algoritmeille, joiden avulla voidaan parantaa tiedonsiirtoa häiriörajoitteisissa verkoissa, ehdollistettuna verkon solmujen sisäisille ja ulkoisille rajoitteille.