Implementação e simulação de redes AD HOC de comunicações sem fio com múltiplas antenas

Monografia (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2012.Este trabalho estuda o desempenho de redes sem o ad hoc com nós habilitados com múltiplas antenas (MIMO) utilizando tecnologias-chave para permitir altas taxas de transmissão e/ou maior robustez à transmissão. Para tanto, busca-se avaliar as técnicas de transmissão do sistema Vertical Bell Labs Layered Space-Time (V-BLAST) (o qual permite a multiplexagem espacial) e do esquema de Alamouti (que explora a diversidade de transmissão). Para realizar este estudo, propomos uma implementação de um sistema MIMO que utiliza estas técnicas no simulador de rede NS-3. Esta implementa ção é baseada em modelos analíticos e expressões matemáticas resultantes das abstrações da decodi cação do sinal na recepção na camada física e consiste em simples modi cações na norma IEEE 802.11b que incluem não só os aspectos do cálculo da SINR e da BER, mas também como o mecanismo de detecção de portadora é realizado e como a negociação de 4 vias é con gurada. Os resultados de simulação para redes ad hoc IEEE 802.11 habilitadas com o esquema de Alamouti, sob canais com desvanecimento Rice, indicam ganhos signi cativos na vazão média da rede sobre sistemas de única antena, especialmente sob forte desvanecimento de múltiplos percursos. Além disso, os resultados para redes habilitadas com o sistema V-BLAST, sob canais com desvanecimento Rayleigh, mostram que, dependendo da con guração de antenas, ganhos signi cativos de vazão quase lineares podem ser alcançados, se os ganhos de diversidade forem explorados. Com base nestes resultados, é proposto um sistema MIMO híbrido com protocolo MAC adaptativo que comuta a técnica de transmissão de acordo com as condições do canal, a m de prover melhores ganhos de desempenho explorando as vantagens da diversidade e da multiplexagem. Este protocolo segue o paradigma do projeto com camadas interrelacionadas ( cross-layer design ) para realizar a comutação da técnica segundo informações trocadas pelas camadas física e MAC. Estudos são realizados para avaliar os melhores limiares de comutação a m de otimizar o desempenho. Os resultados de simulação mostram ganhos de vazão de rede maiores que o desempenho de redes utilizando cada técnica individualmente em toda a rede.This work studies the performance of wireless ad hoc networks when nodes are equipped with multiple antennas (MIMO) utilizing key technologies that allow higher data rates and/or robustness to transmission. To do so, we seek to evaluate the transmission techniques known as Vertical Bell Labs Layered Space-Time (V-BLAST) system (which allows spatial-division multiplexing) and the Alamouti scheme (which exploits transmit diversity). To accomplish this task, we propose an implementation of these MIMO techniques in the network simulator NS-3. This implementation is based on analytical models and expressions obtained from signal decoding abstractions from the physical layer reception, and consists in simple modi cations to the IEEE 802.11b standard. These modi cations include not only SINR and BER computation aspects, but also how clear channel assessment is performed and how the four-way handshake mechanism is set. Simulation results for IEEE 802.11 ad hoc networks enabled with the Alamouti scheme, under Rice fading channel, indicate signi cant gains in network throughput over single antenna systems, especially under strong multipath fading. Furthermore, simulation results for networks enabled with V-BLAST show that, depending on the antenna con guration, signi cant quasi-linear network throughput gains can be achieved, especially if the diversity gains are also exploited. Based on these results, we propose a MIMO hybrid system with adaptive MAC protocol that selects the transmission technique depending on channel conditions, in order to provide better performance gains exploiting diversity and multiplexing gains. This protocol follows the cross-layer design paradigm to choose the best technique according to information exchanged by the physical and MAC layers. Studies are carried out to evaluate the best selection thresholds in order to optimize throughput. Simulation results demonstrate higher network throughput gains compared to the performance of networks that utilize each technique individually in all network nodes (or elements)