On characterizing and modelling collective behaviour in non-coordinated wireless networks

Michalopoulou, Maria; Ascheid, Gerd; Mähönen, Petri Heikki

doi:34944

On characterizing and modelling collective behaviour in non-coordinated wireless networks = Charakterisierung und Modellierung von kollektivem Verhalten in nicht-koordienierten drahtlosen Netzen

Michalopoulou, Maria

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maria Michalopoulou, M.Sc. aus Nikosia, Zypern

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (XI, 172 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mähönen, Petri Heikki (Thesis advisor) ; Ascheid, Gerd (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-000019
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565635/files/565635.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565635/files/565635.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrotechnik, Elektronik (frei) ; non-coordinated wireless networks (frei) ; percolation (frei) ; mean-field theory (frei) ; CSMA/CA throughput analysis (frei) ; Nash Equilibria (frei) ; phase transitions (frei) ; minority games (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die vergangenen Jahre sind durch eine rasche Entwicklung drahtloser Technologien sowie eine enorme Zunahme der Zahl drahtloser Netzwerkgeräte gekennzeichnet. Der zukünftige Verbreitungsgrad von Geräten und Netzwerken stellt höhere Konnektivitäts- und Kapazitätsansprüche, welcher eine Verringerung der Abhängigkeit von infrastrukturbasierten drahtlosen Netzwerken und die Förderung der Netzwerkkonnektivität durch nicht-koordinierte drahtlose Netzwerke erfordert. In diesem Rahmen hat sich die Aufmerksamkeit der Forschung von sorgfältig geplanten, infrastrukturbasierten Netzwerken auf infrastrukturlose drahtlose Netzwerke verlagert. Jedoch stellt die Entwicklung von aufkommenden nicht-koordinierten drahtlosen Netzwerken eine Herausforderung dar. Um ihre Analyse, Modellierung und praktische Umsetzung zu ermöglichen, sind erhebliche Anstrengungen sowohl im theoretischen als auch im praktischen Bereich notwendig.Ziel und Beitrag dieser Dissertation ist die Erforschung von nicht-koordinierten drahtlosen Netzwerken unter Verwendung von neuartigen Ansätzen für die drahtlose Netzwerkforschung. Die Arbeit stützt sich weitgehend auf Konzepte und Methoden der statistischen Mechanik. Sie orientiert sich hierbei insbesondere an der Kernidee dieses wissenschaftlichen Feldes: der Analyse des kollektiven Verhaltens von Systemen aus vielen einzelnenTeilchen. Wir verwenden eines der am häufigsten genutzten Näherungsverfahren der statistischen Mechanik, die Molekularfeldmethode, als neues und flexibles Analysewerkzeug zur Durchsatzberechnung in Relation zumangebotenen Verkehr bei Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung und Kollisionsvermeidung (CSMA/CA).Darüber hinaus führen wir den Begriff der Phasenübergänge ein. Wir postulieren, dass die Netzwerkcharakterisierung und -modellierung durch Phasenübergänge sehr effektiv sein kann, da abrupte qualitative Veränderungen, d.h. signifikante Betriebszustandsänderungen, durch Phasenübergänge gekennzeichnet sind. Wir diskutieren eine alternative Interpretation der Stabilität des Nash-Gleichgewichts und stellen in Frage, ob dieses immer einer gewünschten Lösung entspricht. Ferner schlagen wir den Einsatz von Phasenübergängen für die Modellierung von harten Ungleichungsnebenbedingungen in der nutzen-basierten Netzwerkoptimierung vor und verwenden Phasendiagramme für die Charakterisierung von drahtlosen Netzwerken.Angeregt durch den Mangel an analytischen Arbeiten, die über die Annahme von Poisson-verteilten Knoten hinausgehen, untersuchen wir darüber hinaus den Perkolationsübergang in geclusterten drahtlosen Netzwerktopologien.Eine zusätzliche Motivation für einen Teil dieser Arbeit ist die praktische Umsetzung in selbstorganisierenden Systeme. Wir zeigen, wie Minderheiten-Spiele – eine in der statistischen Mechanik weit verbreitete Familie vonInteraktionsmodellen – genutzt werden können, um selbstorganisierende Lösungen für eine breite Palette von Ressourcenzuteilungsproblemen mit begrenzten Anforderungen an Verwaltungsdatenaustausch anzubieten.

During the last few years we have witnessed a rapid evolution of wireless technologies and a steep growth in the number of wireless networking devices. This proliferation of devices and networks is posing higher demands interms of connectivity and capacity. Consequently, this necessitates a reduced reliance on infrastructure-based networks and support for network connectivity through non-coordinated networks. The attention of the research community has thus largely shifted from carefully planned, infrastructure-based wireless networks to non-coordinated, infrastructure-less wireless networks. Τhe development of emerging non-coordinated wireless networks is, however, challenging. Significant efforts are still needed in both theoretical and practical domains for their analysis, modelling, and practical implementation.The objective and contribution of this thesis is to study non-coordinated wireless networks using approaches that are novel to wireless networking research. This work is largely inspired by concepts and methods of statisticalmechanics. In general, it is mainly motivated by the core idea behind statistical mechanics: the analysis of collective behaviour in systems comprising of many individual entities. We apply one of the most widely used approximation methods of statistical mechanics – the mean field method – to present a novel and flexible analysis of the throughput of a Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) protocol with respect to offered traffic.Furthermore, we exploit the notion of phase transitions; we argue that network characterization and modelling via phase transitions can be very fruitful, as phase transitions designate abrupt qualitative changes, that is, operational points of significant importance. We discuss a different approach on the stability of Nash Equilibria and question whether a Nash Equilibrium is always a desirable solution. We also propose employing phase transitions for modelling hard inequality constraints in utility-based network optimization, and phase diagrams for characterizing wireless networks. In addition, motivated by the need for analytical work that goes beyond the assumption of Poisson distributed nodes, we study the percolation phase transition of clustered wireless topologies.Finally, the practical implementation of self-organizing schemes has also been a motivation for a part of this work. We show how Minority Games – a family of interaction models widely exploited in statistical mechanics – can be applied to provide self-organizing solutions for a wide range of resource allocation problems, with limited requirements for exchange of feedback information.

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