Channel Access in Wireless Networks: Protocol Design of Energy-Aware Schemes for the IoT and Analysis of Existing Technologies

The design of channel access policies has been an object of study since the deployment of the first wireless networks, as the Medium Access Control (MAC) layer is responsible for coordinating transmissions to a shared channel and plays a key role in the network performance. While the original target was the system throughput, over the years the focus switched to communication latency, Quality of Service (QoS) guarantees, energy consumption, spectrum efficiency, and any combination of such goals. The basic mechanisms to use a shared channel, such as ALOHA, TDMA- and FDMA-based policies, have been introduced decades ago. Nonetheless, the continuous evolution of wireless networks and the emergence of new communication paradigms demand the development of new strategies to adapt and optimize the standard approaches so as to satisfy the requirements of applications and devices. This thesis proposes several channel access schemes for novel wireless technologies, in particular Internet of Things (IoT) networks, the Long-Term Evolution (LTE) cellular standard, and mmWave communication with the IEEE802.11ad standard. The first part of the thesis concerns energy-aware channel access policies for IoT networks, which typically include several battery-powered sensors. In scenarios with energy restrictions, traditional protocols that do not consider the energy consumption may lead to the premature death of the network and unreliable performance expectations. The proposed schemes show the importance of accurately characterizing all the sources of energy consumption (and inflow, in the case of energy harvesting), which need to be included in the protocol design. In particular, the schemes presented in this thesis exploit data processing and compression techniques to trade off QoS for lifetime. We investigate contention-free and contention-based chanel access policies for different scenarios and application requirements. While the energy-aware schemes proposed for IoT networks are based on a clean-slate approach that is agnostic of the communication technology used, the second part of the thesis is focused on the LTE and IEEE802.11ad standards. As regards LTE, the study proposed in this thesis shows how to use machine-learning techniques to infer the collision multiplicity in the channel access phase, information that can be used to understand when the network is congested and improve the contention resolution mechanism. This is especially useful for massive access scenarios; in the last years, in fact, the research community has been investigating on the use of LTE for Machine-Type Communication (MTC). As regards the standard IEEE802.11ad, instead, it provides a hybrid MAC layer with contention-based and contention-free scheduled allocations, and a dynamic channel time allocation mechanism built on top of such schedule. Although this hybrid scheme is expected to meet heterogeneous requirements, it is still not clear how to develop a schedule based on the various traffic flows and their demands. A mathematical model is necessary to understand the performance and limits of the possible types of allocations and guide the scheduling process. In this thesis, we propose a model for the contention-based access periods which is aware of the interleaving of the available channel time with contention-free allocations.

Fin dalla comparsa delle prime reti wireless, la progettazione di strategie di accesso al canale è stata oggetto di intenso studio, in quanto il livello Medium Access Control (MAC) è responsabile di coordinare le trasmissioni su un canale condiviso e quindi svolge un ruolo fondamentale nelle prestazioni della rete intera. Originariamente la progettazione del livello MAC nelle reti wireless si proponeva di garantire un certo throughput, ma nel corso degli anni l’interesse si è spostato sulla latenza delle comunicazioni, assicurare un certo livello di Quality of Service (QoS), ottimizzare il consumo energetico, garantire efficienza spettrale, e qualsiasi combinazione di questi obiettivi. I meccanismi classici di accesso al canale, come ALOHA, TDMA e FDMA, sono stati introdotte da decenni; ciononostante, la continua evoluzione delle reti wireless e la comparsa di nuovi paradigmi di comunicazione ha richiesto lo sviluppo di nuove strategie per adattare e ottimizzare gli approcci standard così da soddisfare i requisiti di dispositivi e applicazioni. Questa tesi propone diversi schemi di accesso al canale per nuove tecnologie wireless, e in particolare per reti Internet of Things (IoT), per lo standard cellulare Long-Term Evolution (LTE), e lo standard IEEE802.11ad per comunicazione con mmWaves. La prima parte della tesi riguarda schemi di accesso al canale efficienti dal punto di vista energetico per reti IoT, che, di solito, comprendono molti sensori alimentati a batteria. In scenari con restrizioni energetiche i protocolli classici che non prendono in considerazione il consumo di potenza potrebbero portare alla morte prematura della rete e ad aspettative di prestazioni ottimistiche. Gli schemi proposti in questa tesi dimostrano l’importanza di caratterizzare tutte le fonti di consumo energetico (e di apporto energetico, nel caso di energy harvesting), che devono essere incluse nella progettazione del protocollo di comunicazione. In particolare, gli schemi proposti in questa tesi sfruttano tecniche di compressione ed elaborazione dati, le quali consentono di prolungare la vita della rete a discapito di una ridotta QoS. Abbiamo analizzato algoritmi di accesso sia basati sulla contesa del canale che non per diversi scenari e requisiti di applicazione. Mentre gli schemi proposti per le reti IoT non sono basati su tecnologie specifiche, la seconda parte della tesi riguarda gli standard LTE e IEEE802.11ad. Per quanto concerne LTE, lo studio proposto in questa tesi mostra come utilizzare tecniche di machine-learning per stimare il numero di utenti che collidono durante l’accesso al canale; quest’informazione è utilizzata per capire quando la rete è congestionata e migliorare il meccanismo di risoluzione delle collisioni. Questo è particolarmente utile per scenari di accesso massivo: negli utlimi anni, infatti, si è sviluppato un forte interesse verso l’utilizzo di LTE per Machine-Type Communication (MTC). Per quanto riguarda IEEE802.11ad, invece, lo standard prevede un MAC ibrido con allocazioni da predefinire con e senza contesa per l’accesso al canale, e un meccanismo di allocazione dinamica che viene fatta al di sopra dello schema già stabilito. Nonostante ci si aspetti che questo schema ibrido possa soddisfare requisiti eterogenei, non è ancora chiaro come scegliere le allocazioni da usare in base ai vari flussi di traffico e i loro requisiti. Perciò, è necessario un modello matematico per capire le prestazioni e i limiti che possono essere ottenuti con le varie tipologie di accesso al mezzo previste dallo standard e guidare la fase di allocazione delle risorse. In questa tesi, proponiamo un modello per le allocazioni basate sulla contesa del canale di comunicazione che tiene conto della presenza di altre allocazioni di tipo diverso.