Ad Hoc Networks with Multiple Simultaneous Access

Multiuser detection and multiple-input multiple-output systems are emerging as key technologies to deploy high-performance networks. Despite the great amount of research of the recent years on the development of transmitter/receiver architectures, limited work on MUD/MIMO based networking has been done so far. In this thesis, we focus on ad hoc networks exploiting these advanced architectures to increase the parallelism of communications. This appears to be an important issue, as nowadays ad hoc networks implementing carrier sense and collision avoidance mechanisms achieve poor spatial reuse and incur failure due to the well-known hidden and exposed terminal problems. In this kind of network, where nodes simultaneously access the channel, a carrier sense approach is evidently not a viable solution, or however not effective, especially when considering successive interference cancellation based receivers. We present and investigate in depth different possible solutions for the control of interference in the network. We propose a coordination scheme for MIMO-BLAST ad hoc networks that enables distributed access control by receivers. We also address asynchronous scenarios in which nodes are allowed to access the channel without any carrier sense. In this case, interference distribution and control mechanisms have complicated interactions, that must be taken into account when designing the network protocols. As efficiency is a key issue in this scenario, we investigate techniques that enable adaptability and resilience to channel conditions' variations, such as cooperation and advanced error control schemes. Besides the wide discussion on the design of the network, an important contribution of this thesis is represented by the many novel analytical tools developed throughout the chapters.

Le architetture di livello fisico basate su Multiuser detection e sistemi multiple-input multiple-output stanno emergendo come tecnologie chiave per lo sviluppo di reti wireless ad elevate prestazioni. Nonostante queste architetture siano state largamente studiate a livello di sistema punto-punto, manca ancora una completa comprensione di come poi questi si integrino con la rete nel suo complesso. Lo studio presentato in questa tesi discute l'impiego di queste tecnologie al fine di aumentare il parallelismo delle comunicazioni nelle reti ad hoc. Questo rappresenta un'evoluzione importante per le reti moderne, ed è tematica attualissima nella comunità di ricerca. Infatti, le implementazioni correnti di reti ad hoc, basate su protocolli di carrier sense e collision avoidance, raggiungono prestazioni limitate da un basso risuo spaziale della risorsa radio, anche a causa di inefficenze intrinseche come ad esempio i ben noti problemi di terminale esposto e terminale nascosto. Al fine di avere una rete ad hoc che sfrutti appieno le potenzialità di queste architetture, che offrono una considerevole resistenza all'interferenza, è evidente la necessità di pensare ad uno scenario dove link tra diverse coppie sorgente-destinazione siano attivati nella stessa area. I protocolli di carrier sense e collision avoidance, il cui obiettivo è appunto quello di evitare comunicazioni concorrenti e potenzialmente mutualmente distruttive, sono chiaramente inadeguati a gestire questo tipo di rete. In questa tesi vengono presentati e discussi diversi approcci e tematiche per il controllo dell'interferenza in questo scenario. La principale difficoltà in uno scenario di attivazione simultanea dei link è l'imprevedibilità e l'alta variabilità delle condizioni di canale che interesseranno la trasmissione del pacchetto dati. La prima classe di approcci studiati propongono uno schema che permette la coordinazione tra i nodi della rete. Una fase iniziale di handshake, dove le richieste di attivazione dei link da parte delle sorgenti avvengono simultaneamente, permettendo ai ricevitori di essere in parte coscienti dell'interferenza che interesserà la ricezione dei dati nella fase successiva. Una proposta alternativa ad approcci che propongono la riduzione dell'incertezza sull'interferenza, e il conseguente controllo sull'attivazione dei link, prevede la costruzione di meccanismi in grado di fronteggiare l'imprevedibilità delle condizioni di canale. In questa tesi vengono studiate nel dettaglio le complesse tematiche di uno scenario in cui le trasmissioni non vengono imbrigliate in rigide strutture di comunicazione e i nodi sono liberi di accedere in modo asincrono. Viene dimostrato come il meccanismo di controllo dell'errore sia un elemento chiave in questo tipo di reti. Infatti, non solo l'incertezza sulle condizioni di canale rende necessaria l'implementazione di protocolli atti al recupero di pacchetti errati, ma si instaurano delle complesse interazioni tra il meccanismo di controllo dell'errore e la statistica dell'interferenza, di cui bisogna tener conto nel progetto complessivo del sistema. All'interno di questa seconda classe di reti, vengono inoltre studiate tecniche che aumentino l'efficienza delle comunicazioni. Nello scenario affrontato, aumentare l'efficienza delle singole trasmissioni ha un evidente impatto anche sul bilancio globale d'interferenza nella rete. In particolare vengono considerati protocolli di cooperazione e meccanismi avanzati di controllo dell'errore. Oltre alla discussione e alle diverse proposte per il progetto dei protocolli di comunicazione contenuti in questa tesi, vengono presentati alcuni nuovi strumenti analitici per la valutazione delle prestazioni e lo studio del della rete.