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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-43687
URL: http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2011/4368/


Multicast MAC extensions for high rate real-time traffic in wireless LANs

Multicast MAC-Erweiterungen für schnellen Echtzeitverkehr in drahtlosen lokalen Netzen

Li, Zhao

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SWD-Schlagwörter: Drahtloses lokales Netz , Echtzeitverarbeitung , Multicastingverfahren
Freie Schlagwörter (Englisch): Telecommunication , Wireless LAN , Multicast
Institut: Fachrichtung 6.2 - Informatik
Fakultät: Fakultät 6 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät I
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Herfet, Thorsten (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.09.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 21.10.2011
Kurzfassung auf Englisch: Nowadays we are rapidly moving from a mainly textual-based to a multimedia-based Internet, for which the widely deployed IEEE 802.11 wireless LANs can be one of the promising candidates to make them available to users anywhere, anytime, on any device. However, it is still a challenge to support group-oriented real-time multimedia services, such as video-on-demand, video conferencing, distance educations, mobile entertainment services, interactive games, etc., in wireless LANs, as the current protocols do not support multicast, in particular they just send multicast packets in open-loop as broadcast packets, i.e., without any possible acknowledgements or retransmissions. In this thesis, we focus on MAC layer reliable multicast approaches which outperform upper layer ones with both shorter delays and higher efficiencies. Different from polling based approaches, which suffer from long delays, low scalabilities and low efficiencies, we explore a feedback jamming mechanism where negative acknowledgement (NACK) frames are allowed from the non-leader receivers to destroy the acknowledgement (ACK) frame from the single leader receiver and prompts retransmissions from the sender. Based on the feedback jamming scheme, we propose two MAC layer multicast error correction protocols, SEQ driven Leader Based Protocol (SEQ-LBP) and Hybrid Leader Based Protocol (HLBP), the former is an Automatic Repeat reQuest (ARQ) scheme while the later combines both ARQ and the packet level Forward Error Correction (FEC). We evaluate the feedback jamming probabilities and the performances of SEQ-LBP and HLBP based on theoretical analyses, NS-2 simulations and experiments on a real test-bed built with consumer wireless LAN cards. Test results confirm the feasibility of the feedback jamming scheme and the outstanding performances of the proposed protocols SEQ-LBP and HLBP, in particular SEQ-LBP is good for small multicast groups due to its short delay, effectiveness and simplicity while HLBP is better for large multicast groups because of its high efficiency and high scalability with respect to the number of receivers per group.
Kurzfassung auf Deutsch: Zurzeit vollzieht sich ein schneller Wechsel vom vorwiegend textbasierten zum multimediabasierten Internet. Die weitverbreiteten IEEE 802.11 Drahtlosnetzwerke sind vielversprechende Kandidaten, um das Internet für Nutzer überall, jederzeit und auf jedem Gerät verfügbar zu machen. Die Unterstützung gruppenorientierter Echtzeit-Dienste in drahtlosen lokalen Netzen ist jedoch immer noch eine Herausforderung. Das liegt daran, dass aktuelle Protokolle keinen Multicast unterstützen. Sie senden Multicast-Pakete vielmehr in einer "Open Loop"-Strategie als Broadcast-Pakete, d. h. ohne jegliche Rückmeldung (feedback) oder Paketwiederholungen. In der vorliegenden Arbeit, anders als in den auf Teilnehmereinzelabfragen (polling) basierenden Ansätzen, die unter langen Verzögerungen, geringer Skalierbarkeit und geringer Effizienz leiden, versuchen wir, Multicast-Feedback bestehend aus positiven (ACK) und negativen Bestätigungen (NACK) auf MAC-Layer im selben Zeitfenster zu bündeln. Die übrigen Empfänger können NACK-Frames senden, um das ACK des Leaders zu zerstören und Paketwiederholungen zu veranlassen. Basierend auf einem Feedback-Jamming Schema schlagen wir zwei MAC-Layer-Protokolle für den Fehlerschutz im Multicast vor: Das SEQ-getriebene Leader Based Protocol (SEQ-LBP) und das Hybrid Leader Based Protocol (HLBP). SEQ-LBP ist eines Automatic Repeat reQuest (ARQ) Schema. HLBP kombiniert ARQ und paketbasierte Forward Error Correction (FEC). Wir evaluieren die Leistungsfähigkeit von ACK/NACK jamming, SEQ-LBP und HLBP durch Analysis, Simulationen in NS-2, sowie Experimenten in einer realen Testumgebung mit handelsüblichen WLAN-Karten. Die Testergebnisse bestätigen die Anwendbarkeit der Feedback-Jamming Schemata und die herausragende Leistungsfähigkeit der vorgestellten Protokolle SEQ-LBP und HLBP. SEQ-LBP ist durch seine kurze Verzögerung, seine Effektivität und seine Einfachheit für kleine Multicast-Gruppen nützlich, während HLBP auf Grund seiner hohen Effizienz und Skalierbarkeit im Bezug auf die Größe der Empfänger eher in großen Multicast-Gruppen anzuwenden ist.
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