cooperation on demand

8/13/2019 Cooperation on Demand

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T h e 1 8 t h A n n u a l IEEE I n t e r n a t i o n a l Symposium o n P e r s o n a l , I n d o o r a n d M o b i l e R a d i o C o m m u n i c a ti o n s ( P I M R C ' 0 7 )

COOPERATION ON DEMAND PROTOCOLS FOR WIRELESS NETWORKSJ e s u ' s G o m e z , J e s u ' s A l o n s o - Z a i r a t e , C h r i s t o s V e r i k o u k i s An a I . P e r e z - N e i r a , L u i s A l o n s oC e nt r e T e cn o l og i c d e T e l e co m u n i ca c i o ns d e C a ta l u n y a T e c h n i c a l U n i v e r s i t y o f C a t a l o n i a ( U P C )C a s t e l l d e f e l l s , S p a i n

ABSTRACTWe c o n s i d e r a c o o p e r a t i v e n e t w o r k w h e r e t h e c o m m u n i c a -t i o n b e t w e e n a s i n g l e s o u r c e - d e s t i n a t i o n p a i r i s a s s i s t e d b y t h et r a n s m i s s i o n o f r e l a y s . I n t h e c o n s i d e r e d c o o p e r a t i v e m o d e l ,o n c e a n o d e r e q u i r e s c o o p e r a t i o n , i t b r o a d c a s t s a c l a i m f o r c o -o p e r a t i o n m e s s a g e . U n d e r h i g h m o b i l i t y c o n d i t i o n s o r i n s o m es p e c i a l s c e n a r i o s t h i s i s t h e n a t u r a l p r o c e d u r e t o d i s c o v e r t h ep o t e n t i a l r e l a y s . H o w e v e r , w h e n t h e r e i s a l a r g e n u m b e r o fn o d e s t h a t c a n p o t e n t i a l l y s e r v e a s a r e l a y , a M u l t i p l e R e l a yA c c e s s C o n t r o l MRAC) p r o b l e m t u r n s u p a n d t h e r e l a y t r a n s -m i s s i o n s m u s t b e o r g a n i z e d i n a n e f f e c t i v e m a n n e r . We i n t r o -d u c e t h i s p r o b l e m a t i c a n d p r o p o s e t h r e e d i f f e r e n t s t r a t e g i e s t om a n a g e t h i s s e v e r e c o m p e t i t i v e c h a n n e l . I n t h e s e s t r a t e g i e s e i -t h e r t h e s o u r c e , t h e d e s t i n a t i o n o r b o t h t r i g g e r t h e c o o p e r a t i v ep r o c e s s . T h e m et ho d o l o g y e m p l o y e d m a k e s t h e r e s u l t s a n dc o n c l u s i o n s v a l i d f o r a w i d e r a n g e o f c o o p e r a t i v e s c e n a r i o s ,a n d h e n c e , u s e f u l f o r a w i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s .

I . INTRODUCTIONC o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n s i n w i r e l e s s n e t w o r k s a r e m a i n l ym o t i v a t e d b y t h e b r o a d c a s t n a t u r e o f t h e w i r e l e s s m e d i u m . T h es o u r c e i n p u t i s b r o a d c a s t e d t o a l l n o d e s i n i t s c o v e r a g e a r e a ,t u r n i n g t h e m i n t o p o t e n t i a l h e l p e r s t o i m p r o v e t h e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y . A s a r e s u l t , m u l t i p l e i n d e p e n d e n t l y f a d e d s i g n a l sc a n b e a p p r o p r i a t e l y c o m b i n e d a t t h e r e c e i v e r i m p r o v i n g t h er e l i a b i l i t y a n d s p e c t r a l e f f i c i e n c y o f t h e c o m m u n i c a t i o n . T h ep i o n e e r w o r k o f C o v e r a n d E l G a m a l [ 1 ] a n a l y z e d t h e a c h i e v -a b l e r a t e s f o r t h e o n e - r e l a y n e t w o r k c o n s i s t i n g o f a s o u r c e , ad e s t i n a t i o n a n d a s i n g l e r e l a y n o d e . More r e c e n t l y , c o o p e r a -t i v e g a i n s h a v e b e e n a n a l y z e d f o r d i f f e r e n t s c e n a r i o s i n s e v e r a lw o r k s [ 2 - 6 ] i n t e r m s o f d i v e r s i t y a n d e n e r g y s a v i n g s .D i f f e r e n t c o o p e r a t i v e s c e n a r i o s c a n b e d e f i n e d d e p e n d i n g o nt h e s p e c i f i c f o r w a r d i n g s t r a t e g y i m p l e m e n t e d a t t h e r e l a y s . T h ed e s i g n o f e a c h o f t h e s e s c e n a r i o s p o s e s s e v e r a l c h a l l e n g e s t h a te n c l o s e t h e w h o l e p r o t o c o l s t a c k , i n c l u d i n g f o r i n s t a n c e , t h ep h y s i c a l t r a n s m i s s i o n - r e c e p t i o n s c h e m e s , t h e c h a n n e l a c c e s sr u l e s , t h e r o u t i n g o r t h e a p p l i c a t i o n l a y e r . I n t h i s w o r k , wec o n s i d e r a g e n e r a l c o o p e r a t i v e s e t - u p t h a t i n c l u d e s m o s t o f t h ep o s s i b l e c o o p e r a t i v e s c e n a r i o s , h e r e a f t e r r e f e r r e d t o a s a c o o p -e r a t i v e o n d e m a n d s c e n a r i o s . C o m m u n i c a t i o n s a r e c a r r i e d o u to v e r t i m e - d i v i s i o n c h a n n e l s a n d w h e n e v e r a n o d e r e q u i r e s c o -o p e r a t i o n , i t b r o a d c a s t s a c l a i m f o r c o o p e r a t i o n m e s s a g e . T h em o s t i n t u i t i v e s c e n a r i o i s c o m p o s e d b y a s o u r c e , a d e s t i n a t i o na n d a s e t o f p o t e n t i a l r e l a y s . W h e n e v e r t h e d e s t i n a t i o n i s u n -a b l e t o d e c o d e a n i n c o m i n g s i g n a l f r o m t h e s o u r c e n o d e , i tb r o a d c a s t s a c l a i m f o r c o o p e r a t i o n m e s s a g e t o i t s l o c a l n e i g h -

T h i s w o r k w a s p a r t i a l l y s u p p o r t e d b y t h e C a t a l a n G o v e r n m e n t u n d e r g r a n tS G R 2 0 0 5 - 0 09 9 6 ; b y t h e S p a n i s h G o v e r n m e n t u n d e r p r o j e c t s T E C 2 0 0 5 - 0 8 1 2 2 -C 0 3 , TE C 2 0 0 5 - 0 7 3 2 6 - C 0 2 - 0 1 a n d TE C 2 0 0 6 - 1 0 4 5 9 / T C M .

B a r c e l o n a , S p a i nb o r h o od . O r d e r l y i n t i m e , t h o s e n e i g h b o r s t h a t o v e r h e a r d t h eo r i g i n a l s i g n a l a n d a r e l i k e l y t o h a v e g o o d c h a n n e l c o n d i t i o n sw i t h t h e d e s t i n a t i o n , r e t r a n s m i t t h e o r i g i n a l m e s s a g e s o t h a tt h e d e s t i n a t i o n n o d e c a n p r o p e r l y c o m b i n e t h e m t o d e c o d e t h eo r i g i n a l m e s s a g e . T h e d i v e r s i t y g a i n s o f t h i s p a r t i c u l a r s t r a t e g y ,r e f e r r e d t o a s I n c r e m e n t a l R e l a y i n g , h a v e b e e n a n a l y z e d i n [ 5 ] .

Upon c o o p e r a t i o n r e q u e s t , a l l p o t e n t i a l r e l a y s m u s t d e c i d ew h e t h e r t o t r a n s m i t o r n o t b a s e d o n l y o n l o c a l i n f o r m a t i o n .S i n c e t h e y m u s t c o n t e n d f o r t h e c h a n n e l , e f f i c i e n t Medium R e -l a y A c c e s s C o n t r o l MRAC) p r o t o c o l s a r e n e c e s s a r y . T h e r e l a yc o n t e n t i o n p r o b l e m c o u l d d i s a p p e a r , o r a t l e a s t b e m i n i m i z e d , i ft h e r e l a y s w e r e i d e n t i f i e d e x c l u s i v e l y . T h i s i d e a w a s p r o p o s e di n [ 7 ] a n d [ 8 ] . I n t h e s e w o r k s a l l n o d e s i n t h e n e t w o r k m a i n t a i na t a b l e t h a t c o n t a i n s t h e p o s s i b l e r e l a y s t h a t c a n a s s i s t w i t h t h e i rr e t r a n s m i s s i o n s t o a g i v e n d e s t i n a t i o n , t h e A c c e s s P oi n t ( AP ).T h e s e t a b l e s a r e u p d a t e d a t e a c h n o d e b y l i s t e n i n g t o t h e o n -g o i n g t r a n s m i s s i o n s b o t h f r o m t h e r e s t o f n o d e s t o t h e AP a n df r o m t h e AP t o o t h e r n o d e s . A s p o i n t e d o u t b y t h e a u t h o r s , t h i ss t r a t e g y i s r e q u i r e d t o m a i n t a i n u p - t o - d a t e t h e r e l a y t a b l e s u n -d e r h i g h m o b i l i t y c o n d i t i o n s d u e t o t h e f a c t t h a t c h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n m ay h a v e c ha n g e d f r o m o n e t r a n s m i s s i o n t o a n -o t h e r , o r e v e n t h e r e q u e s t e d r e l a y m ay h a v e m o v e d o r d i s a p -p e a r e d . T h e p r o b l e m b e c o m e s h a r d e r w h e n c o n s i d e r i n g m o r et h a n o n e d e s t i n a t i o n , i . e , i n t h e c a s e o f a d h o c o r s e n s o r n e t -w o r k s , w h e r e e v e r y n o d e m u s t m a i n t a i n a t a b l e o f p o t e n t i a lr e l a y s f o r e v e r y s i n g l e d e s t i n a t i o n .

I n o r d e r t o o v e r c o m e t h e s e s t o r a g e r e q u i r e m e n t s , we a n a l y z et h r e e d i f f e r e n t s t r a t e g i e s w h o s e g o a l i s t o r e d u c e t h e m u l t i p l ec o n t e n t i o n p r o b l e m p o s e d b y t h e o n d e m a n d c o o p e r a t i v e s c e -n a r i o . T h e c o n s i d e r e d s c e n a r i o e m p l o y s a n A u t o m a t i c R e p e a tR e q u e s t ( A R Q ) s c h e m e b y w h i c h w h e n e v e r a r e q u e s t f o r c o -o p e r a t i o n i s s e n t , o n l y t h e s e t o f r e l a y s a c c o m p l i s h i n g w i t h ac e r t a i n r e q u i r e m e n t s w i l l t r y t o h e l p o u t b y r e t r a n s m i t t i n g ac o p y o f t h e o r i g i n a l m e s s a g e . ARQ h a s b e e n w i d e l y a d o p t e di n e x i s t i n g w i r e l e s s s y s t e m s s u c h a s t h i r d g e n e r a t i o n ( 3 G ) n e t -w o r k s o r w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k s ( W L A N s ) . S i n c e r e t r a n s -m i s s i o n s a r e a c t i v a t e d o n l y w h e n t h e r e c e i v e r f a i l s t o d e c o d e ap a c k e t , t h e ARQ t e c h n i q u e i s v e r y e f f i c i e n t i n i m p r o v i n g s y s -t e m t h r o u g h p u t a n d c o m b a t i n g w i t h c h an n el f a d i n g . O u r a n a l y -s i s o f f e r s n o v e l i d e a s o n how t o d e s i g n t h e r e q u i r e m e n t s t h a tp o t e n t i a l r e l a y s m u s t f u l f i l i n o r d e r t o c o o p e r a t e .

T h e r e m a i n d e r o f t h e p a p e r i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s . S e c t i o nI I i s d e v o t e d t o i n t r o d u c e t h e c o o p e r a t i v e s c e n a r i o , o v e r v i e wt h e r e l a y i n g MAC s t r a t e g y MRAC) a n d p a r t i c u l a r i z e t h e c o n -t e n t i o n r e s o l u t i o n t i m e f o r t h e t a r g e t s c e n a r i o . S e c t i o n s I I I , I V ,V a r e e a c h d e d i c a t e d t o t h e d e s i g n o f o n e p a r t i c u l a r MRACs t r a t e g y : F l a t On-Demand C o o p e r a t i o n , On-Demand C o n d i -t i o n e d C o o p e r a t i o n a n d On-Demand M u l t i - L e v e l C o o p e r a t i o n .F i n a l l y , i n S e c t i o n V I some c o n c l u d i n g r e m a r k s a r e g i v e n .1 - 4 2 4 4 - 1 1 4 4 - 0 / 0 7 / 2 5 . 0 0 O 2 0 0 7 IEEE

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T h e 1 8 t h A n n u a l IEEE I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n P e r s o n a l , I n d o o r a n d M o b i l e R a d i o C o m m u n i c a t i o n s ( P I M R C ' 0 7 )s o u . b e DATA| WaitThCmembb~rfq

S L . l CS CS

: R e l a y 2 c o r i e r s e e i m i LDAXTA1 m i F r i m W s ' d w k M X f1 9 ( C K , XC M C M a ) t C W J

F i g u r e 1 : RCSMA MRAC p r o t o c o lI I . COOPERATIVE SCENARIO

We c on si d e r a n i n f r a s t r u c t u r e - l e s s w i r e l e s s n e t w o r k s u c h a s aw i r e l e s s a d - h o c o r s e n s o r n e t w o r k . Upon s e l e c t i o n o f a g i v e ns o u r c e - d e s t i n a t i o n p a i r b y a h i g h l a y e r p r o t o c o l , t h e s c e n a r i oi s r e d u c e d t o t h a t o f a s i n g l e s o u r c e , a s i n g l e d e s t i n a t i o n a n d as e t o f r e l a y s . T h e i n t e r f e r e n c e f r o m o t h e r s y s t e m s i s n o t c o n -s i d e r e d a n d a c o l l i s i o n c a n o n l y o c c u r i f m o r e t h a n o n e r e l a yt r a n s m i s s i o n i s r e c e i v e d s i m u l t a n e o u s l y i n t i m e a t t h e r e c e i v e r .

T h e o p t i m i z a t i o n o f t h i s c o o p e r a t i v e t r a n s m i s s i o n s c h e m e i n -v o l v e s s o l v i n g many d i f f e r e n t p r o b l e m s . H o w e v e r , we f o c u so u r a n a l y s i s o n t h e d e s i g n o f t h e MRAC p r o t o c o l t h a t s c h e d -u l e s t h e r e l a y s t r a n s m i s s i o n s . We b u i l d o n t h e MRAC p r o t o c o lp r e s e n t e d i n [ 9 ] , r e f e r r e d t o a s R e l a y C a r r i e r S e n s i n g M u l t i p l eA c c e s s ( R C S M A ) , a n d i n t r o d u c e s o m e d e g r e e o f i n t e l l i g e n c eb y d e s i g n i n g t h e s e t o f c o n d i t i o n s t h a t r e l a y s n e e d t o s a t i s f y i no r d e r t o c o o p e r a t e . A l t h o u g h we p a r t i c u l a r i z e t h e d e s i g n o f t h eRCSMA p r o t o c o l , t h e a n a l y s i s h e r e i n p r e s e n t e d c a n b e g e n -e r a l i z e d t o a n y MRAC o n d e m a n d p r o t o c o l . T h e o b j e c t i v e o ft h e s e c o n d i t i o n s i s t w o f o l d : f i r s t l y , t o s e l e c t t h e m o s t a d e q u a t ea m o u n t o f r e l a y s a n d s e c o n d l y t o h e l p o u t i n s e l f - o r g a n i z i n gt h e r e l a y s a c c e s s t o t h e c h a n n e l i n o r d e r t o r e d u c e t h e t o t a l c o n -t e n t i o n t i m e .A . MRAC O v e r v i e wI n RCSMA, we c o n s i d e r t h a t a n o d e , h e r e a f t e r r e f e r r e d t o a st h e p e t i t i o n e r , w h i c h i s t y p i c a l l y t h e d e s t i n a t i o n , b u t m a y b ea l s o t h e s o u r c e o r b o t h c o o p e r a t i v e l y , b r o a d c a s t s a C l a i m f o rC o o p e r a t i o n ( C F C ) p a c k e t w h e n e v e r i t r e q u i r e s t h e n o d e s i n i t sn e i g h b o r h o o d t o c o o p e r a t e . Upon r e c e p t i o n o f t h e C F C , a l l p o -t e n t i a l r e l a y s w i l l c o n t e n d t o g e t a c c e s s t o t h e c h a n n e l i n o r d e rt o r e t r a n s m i t a c o p y o f t h e o r i g i n a l m e s s a g e .I n F i g . 1 t h e o p e r a t i o n o f t h e RCSMA i s r e p r e s e n t e d p a r t i c -u l a r i z e d f o r t h e c a s e w h e n t h e p e t i t i o n e r o f c o o p e r a t i o n i s t h ed e s t i n a t i o n n o d e a n d a c o l l i s i o n a v o i d a n c e m e c h a n i s m b a s e do n R e q u e s t t o S e n d / C l e a r t o S e n d ( R T S / C T S ) h a n d s h a k e b e -t w e e n s en d e r a n d r e c e i v e r i s a p p l i e d . T h e RCSMA i s b a c k w a r dc o m p a t i b l e w i t h t h e D i s t r i b u t e d C o o r d i n a t i o n F u n c t i o n ( D C F )o f t h e l e g a c y 8 0 2 . 1 1 MAC p r o t o c o l , w h i c h i s b a s e d o n CSMAw i t h o p t i o n a l RTS/CTS h a n d s h a k e . A n y p e t i t i o n e r m u s t l i s t e nt o t h e c h a n n e l f o r a S h o r t I n t e r F r a m e S p a c e ( S I F S ) t i m e b e -f o r e t r a n s m i t t i n g t h e CFC p a c k e t . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a tt h e o p e r a t i o n o f t h e MAC p r o t o c o l d e f i n e d i n t h e IEEE 8 0 2 . 1 1 ,s e t s a l o n g e r I F S ( n a m e d D I F S ) b e f o r e g e t t i n g a c c e s s t o t h ec h a n n e l f o r t h e t r a n s m i s s i o n o f a d a t a p a c k e t . T h e r e f o r e , c o -o p e r a t i o n p r o c e s s e s i n RCSMA g e t h i g h e r p r i o r i t y t h a n r e g u l a rt r a n s m i s s i o n s . A l l t h o s e n o d e s t h a t a r e a b l e t o d e c o d e t h e CFC

p a c k e t b e c o m e p o t e n t i a l r e l a y s a n d c o m p e t e f o r t h e c h a n n e li n o r d e r t o r e t r a n s m i t a c o p y o f t h e o r i g i n a l m e s s a g e t r a n s m i t -t e d b y t h e s o u r c e n o d e . Upon c o r r e c t d e c o d i n g , t h e d e s t i n a t i o nn o d e b r o ad c a st a n a c k n o w l e d g e m e n t p a c k e t ( A C K ) b o t h , t o a n -n o u n c e t h e e n d o f t h e c o o p e r a t i o n p r o c e s s a n d t h e r e c e p t i o n o ft h e m e s s a g e t o t h e s o u r c e n o d e .B . C o n t en t i o n R e s ol u t io n T i m eW i t h i n t h e s c o p e o f MAC p r o t o c o l s , t h e r e e x i s t i n t h e l i t e r -a t u r e [ 1 0 ] [ 1 1 ] d i f f e r e n t s t r a t e g i e s t o d e r i v e t h e c o n t e n t i o n -r e s o l u t i o n t i m e ( T C R T ) among d i f f e r e n t s o u r c e s c o n t e n t i n g f o rt h e c h a n n e l . H o w e v e r , w h e n a p p l i e d t o t h e c o n s i d e r e d r e l a ys c e n a r i o t h e t a r g e t f i g u r e o f m e r i t i s e s s e n t i a l l y d i f f e r e n t . Fromt h e MAC p o i n t o f v i e w t h e T C R T i s d e f i n e d a s t h e a v e r a g ec o n t e n t i o n t i m e r e q u i r e d t o t r a n s m i t a s i n g l e d a t a p a c k e t b u t , i nt h e MRAC c o n t e x t i t i s d e f i n e d a s t h e a v e r a g e c o n t e n t i o n t i m en e e d e d t o r e s o l v e t h e m r e q u i r e d r e l a y t r a n s m i s s i o n s .

F o r t h e RCSMA p r o t o c o l , g i v e n a n u m b e r Mo f c o n t e n t i n gs t a t i o n s a n d a s s u m i n g t h a t c c o l l i s i o n s o c c u r b e f o r e t h e m ' t hr e l a y t r a n s m i t s , t h e t o t a l d e l a y r e s u l t a n t f r o m t h e c o o p e r a t i o np r o c e s s i s g i v e n b yT C R T = E [ C W m - ( M , c , m ) + c T c O L + m T C O L A v l , ( 1 )

w h e r e E [ ] d e n o t e s t h e e x p e c t a t i o n o p e r a t o r . I n e q u a t i o n ( 1 ) wei d e n t i f y t h r e e d i f f e r e n t c o n t r i b u t i o n s t o T C R T :1 ) I d l e t i m e d u e t o b a c k - o f f CWm M , c , m ) : B e f o r e a t t e m p t -i n g t o t r a n s m i t , e a c h r e l a y i i n i t i a l i z e s a c o u n t e r b y r a n d o m l ys e l e c t i n g a d i s c r e t e b a c k - o f f w i n d o w CWi w i t h i n t h e i n t e r -v a l [ 0 , CW]. T h i s b a c k - o f f c o u n t e r i s d e c r e m e n t e d b y o n eu n i t w h e n e v e r t h e c h a n n e l i s s e n s e d i d l e , a n d f r o z e n o t h e r w i s e .When t h e c o u n t e r e x p i r e s ( g e t s t o z e r o ) , a t r a n s m i s s i o n a t t e m p ti s d o n e . I n t h e c a s e o f c o l l i s i o n , t h e CW i s d o u b l e d u p a n da new b a c k - o f f i s s t a r t e d . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t w h e nm r e l a y t r a n s m i s s i o n s a r e r e q u e s t e d , t h e t o t a l i d l e t i m e d u e t ob a c k - o f f i s e q u a l t o t h e m ' t h l o w e s t CWm. We a s s u m e t h a tt h i s c o n t e n t i o n t i m e i n c l u d e s t h e p o s s i b l e c o n t e n t i o n w i n d o wr e s i z i n g p r o c e d u r e w h e n e v e r a c o l l i s i o n o c c u r s .2 ) T i m e w a s te d d u e t o c o l l i s i o n s T C O L : When a c o l l i s i o n o c -c u r s t h e c h a n n e l i s b u s y f o r t h e d u r a t i o n o f a w h o l e d a t a p a c k e t .T hi s t im e i s c o n s i d e r e d w a s t e d . N o t e t h a t t h e t i m e e m p l o y e dt o r e t r a n s m i t a d a t a p a c k e t , w h e n s u c c e s s f u l , i s n o t c o n s i d e r e dw a s te d a n d t h u s n o t i n c l u d e d i n t o T C R T .3 ) T i m e w a s t e d d u e t o c o l l i s i o n a v o i d a n c e T C O L A V : Whenu s i n g t h e c o l l i s i o n a v o i d a n c e m e c h a n i s m o f t h e RCSMA p r o -t o c o l ( R T S / C T S ) f o r t h e r e l a y c o n t e n t i o n p h a s e , t h e o v e r a l ls p e c t r a l e f f i c i e n c y d e c r e a s e s w i t h m d u e t o t h e i n c r e a s e d o v e r -h e a d . We d e n o t e b y T C O L A V t h e p e r i o d o f t i m e u s e d i n e a c h

IaIl



3/5

T h e 1 8 t h A n n u a l IEEE I n t e r n a t i o n a l Symposium o n P e r s o n a l , I n d o o r a n d M o b i l e R a d i o C o m m u n i c a ti o n s ( P I M R C ' 0 7 )CW=3270

6 0 m; Mc) 5 0 m= 7, 0

F ' 3 01 2 0 6 0 7 0 9 06 2 0

> 10 2 0 3 0 4 0 r 0 7 0 96 0

10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0A v e r a g e C o n t e n d i n g S t a t i o n s ( M )

Figure 2 : TCRT, as a f u n c t i o n o f t h e average n u m b e r o f n o d e s M, f o rd i f f e r e n t n u m b e r o f r e q u i r e d r e t r a n s m i s s i o n s m n d CW 3 2 o r 6 4 .

RTS/CTS h a n d s h a k e . N o t e t h a t a c c o r d i n g t o t h i s m o d e l , i ft h e c o l l i s i o n a v o i d a n c e m e c h a n i s m i s a p p l i e d , i t h o l d s t h a tTCOL = 0.S i nc e b o t h T C O L a n d TCOLAV ar e c o n s t a n t v a l u e s , t h e y d on o t p r o v i d e i n f o r ma t i o n a b ou t t h e e f f i c i e n c y o f t h e MRAC p ro -t o c o l . I n f a c t , t h e s e v a l u e s ca n b e p r o p e r l y a d j u s t e d when d e -s i g n i n g t h e p r o t o c o l o v e r h e a d . We w i l l f o c u s t h e a n a l y s i s ont h e c o n t r i b u t i o n o f t h e i d l e t i m e d u e t o b a c k - o f f .

N e x t s e c t i o n s ar e d e v o t e d t o p r e s e n t t h r e e a l t e r n a t i v e m e c h -a n i s m s t o r e d u c e t h e t o t a l c o n t e n t i o n r e s o l u t i o n t i m e . Wes t a r t o f f b y p r e s e n t i n g t h e p r o b l e m s t a t e m e n t a s s u m i n g t h a t a l ln o d e s t h a t r e c e i v e t h e CFC ar e r e q u e s t e d t o c o o p e r a t e ( f l a t o n-d e m a n d ) . We t h e n p r e s e n t a c o n d i t i o n a l on demand m e c h a -n i s m b y w h i c h o n l y n o d e s a c c o m p l i s h i n g w i t h a c e r t a i n c o n d i -t i o n w i l l b e i n v o l v e d i n t h e c o o p e r a t i o n process, a n d f i n a l l y , am u l t i l e v e l on demand m e c h a n i s m b y w h i c h p o t e n t i a l r e l a y s areg r o u p e d b a s e d on c e r t a i n c r i t e r i a .

I I I . FLAT ON-DEMAND COOPERATIONI n f l a t o n - d e m a n d c o o p e r a t i o n we c o n s i d e r t h e CFC p a c k e t asa s i m p l e b a c o n t h a t i s b r o a d c a s t e d b y t h e p e t i t i o n e r i n o r d e r t oa s k t h e n o d e s i n i t s t r a n s m i s s i o n r a n ge f o r c o o p e r a t i o n . B e f o r ed e s i g n i n g more s o p h i s t i c a t e d s t r a t e g i e s , t h i s s i m p l e s c e n a r i o i su s e f u l t o a n a l y z e t h e s t a t i s t i c a l b e h a v i o r o f t h e i d l e t i m e d u et o b a c k - o f f . T h e average i d l e t i m e d u e t o b a c k - o f f w i l l b e d e -n o t e d b y E[CWm M, c , m ) ] = CWm M, m ) , w h e r e t h e d ep e n d e n c y w i t h t h e p a r a m e t e r c ca n b e d r o p p e d as l o n g as t h eCWm ( M , C , m) i s a v e r a g e d over t h e c o l l i s i o n e v e n t . N o t e t h a tt h e v a l u e o f CWm ( M , m) d e p e n d s on b o t h t h e average num-b e r o f r e l a y s t h a t d e c i d e t o c o o p e r a t e M ( a l s o r e f e r r e d t o asa c t i v e r e l a y s ) a n d w i l l h a v e t o c o n t e n d f o r t h e c h a n n e l , a n d t h en u m b e r o f r e q u i r e d r e t r a n s m i s s i o n s m. As i t w i l l b e d i s c u s s e dl a t e r i n S e c t i o n I V , t h e d i s t r i b u t i o n o f Mca n b e a s s u m e d t o b eP o i s s o n . I n F i g . 2 i t i s p l o t t e d t h e c o m p u t e d CWm ( M , m ) , i nn u m b e r o f t i m e s l o t s , as a f u n c t i o n o f M a n d m f o r tw o d i f -f e r e n t i n i t i a l b a c k - o f f c o n t e n t i o n windows CW ( 3 2 a n d 6 4 ) .On t h e o n e h a n d , when a l o w average number M o f r e l a y s ar ec l a i m e d f o r c o o p e r a t i o n , t h e more c o n t e n t i n g n o d e s t h e l o w e rt h e average i d l e t i m e d u e t o b a c k - o f f . D e s p i t e o f t h e f a c t t h a t

l o w v a l u e s o f M l e a d t o a n e g l i g i b l e p r o b a b i l i t y o f c o l l i s i o n ,d u e t o t h e r a n d o m n e s s o f t h e b a c k - o f f w i n d o w s v a l u e s CW)t h e b i g g e r t h e v a l u e o f M, t h e l o w e r t h e m ' t h b a c k - o f f w i n -d o w , a n d t h e r e f o r e , t h e s h o r t e r t h e c o n t e n t i o n t i m e . On t h eo t h e r h a n d , f o r l a r g e v a l u e s o f M t h e o cc u r r e n c e o f c o l l i s i o n si s t h e d o m i n a n t e f f e c t a n d i n c r e a s i n g Mo n l y y i e l d s h i g h e r c o n -t e n t i o n r e s o l u t i o n d e l a y s . From F i g . 2 i t i s r e a s o n a b l e t o t h i n kt h a t b y a d j u s t i n g t h e s i z e o f CW a n d b y c o n t r o l l i n g t h e a v e r a g en u m b e r o f c o m p e t i t o r s M i t w o u l d b e p o s s i b l e t o i m p r o v e t h eo v e r a l l p e r f o r m a n c e . T h e s e a r e t h e f o u n d a t i o n s o f t h e s t r a t e -g i e s h e r e a f t e r p r o p o s e d .

I V . ON-DEMAND CONDITIONED COOPERATIONI n o n - d e m a n d c o n d i t i o n e d c o o p e r a t i o n , t h e CFC i s n o t o n l y as i m p l e s i g n a l l i n g b e a c o n t h a t t r i g g e r s t h e c o o p e r a t i o n p r o c e s s ,b u t i t c o u l d a l s o i n c l u d e a d d i t i o n a l e x t r a i n f o r m a t i o n . Any r e -c e i v i n g n o d e ( p o t e n t i a l r e l a y ) c o u l d u s e t h i s i n f o r m a t i o n t o v a l -i d a t e a s e t o f r e q u i r em e nt s a n d d e c i d e w h e t h e r t o c o o p e r a t e o rn o t . T h e p r op e r d es i g n o f t h e s e c o n d i t i o n s m ay a l l o w t h e p r o -t o c o l t o h a v e c o n t r o l o n t h e q u a n t i t y a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h er e l a y s , a n d t h e r e f o r e , o p t i m i z e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e n e t w o r k .T h e d e s i g n o f t h e c o op e r a ti v e r e q u i r e m e n ts d e p e n d s o n t h es p e c i f i c f i g u r e o f m e r i t , s u c h a s e n e r g y e f f i c i e n c y , t r a n s m i s s i o nr a t e o r , a s i n o u r c a s e , t h e T C R T . W i t h o u t l o s s o f g e n e r a l i t y i nt h e m e t h o d o l o g y , t h e p r e s e n t e d r e s u l t s a r e b a s e d o n c o n d i t i o n sf o r t h e e s t i m a t e d d i s t a n c e b e t w e e n t h e p e t i t i o n e r a n d t h e p o t e n -t i a l r e l a y s . T h is i n f or m a ti o n c a n b e d e r i v e d f r o m t h e r e c e i v e dS i g n a l t o N o i s e R a t i o ( S N R ) b y e s t a b l i s h i n g a c r o s s - l a y e r d i a -l o g u e b e t w e e n t h e l a y e r s PHY-MAC. A s a n e x a m p l e , t h e r e l a y sc o u l d d e c i d e w h e t h e r t o c o o p e r a t e o r n o t b a s ed o n t h e s i g n a ls t r e n g t h o f t h e r e c e i v e d CFC p a c k e t . I n o r d e r t o s e l e c t t h e b e s ts e t o f r e l a y s w i t h w h o m t h e c o m m u n i c a t i o n m ay b e m o r e e f f i -c i e n t a n d r e l i a b l e , t h e d e c i s i o n t h r e s h o l d c o u l d b e i n c l u d e d t ot h e CFC p a c k e t .We a s s u m e a u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d u s e r d e n s i t y s c e n a r i ow h e r e i n t h e c h a n n e l c o n d i t i o n s r e m a i n c o n s t a n t f r o m t h e b e -g i n n i n g o f t h e c o o p e r a t i o n p r o c e s s u n t i l a l l t h e r e l a y s h a v e f i n -i s h e d t h e i r t r a n s m i s s i o n s . N e x t s u b s e c t i o n i s d e v o t e d t o s h o whow t o d e s i g n t h e S NR r e q u i r e m e n t s i n o r d e r t o c o n t r o l t h e a v -e r a g e n u m b e r o f c o m p e t i n g r e l a y s M. I t i s w o r t h m e n t i o n i n gt h a t f o r a g i v e n v a l u e o f M, t h e r e e x i s t a r e s i d u a l p r o b a b i l i t yo f n o t a c t i v a t i n g e n o u g h n o d es m . S i n c e t h e c o s t o f s u c h a ne v e n t d e p e n d s o n t h e s c e n a r i o ( e i t h e r r e p e a t t h e c o o p e r a t i o nr e q u e s t o r r e q u e s t t h e r e t r a n s m i s s i o n o f t h e p a c k e t t o t h e o r i g -i n a l s o u r c e n o d e ) , i n s u b s e c t i o n B we c o m p u t e t h e p r o b a b i l i t yo f i n s u f f i c i e n t r e s p o n s e s P I R , a n d j u s t i f y t h a t a l o w v a l u e c a nb e w a r r a n t e d f o r t h e o p t i m a l M.A . T h e A v e r a g e N u m b e r o f A c t i v e R e l a y s MC o n s i d e r , i n t h e m o r e g e n e r a l c a s e , a s c e n a r i o w h e r e t w ot h r e s h o l d s a r e i n c l u d e d i n t h e CFC m e s s a g e d e te r mi n in g l o w e ra n d u p p e r v a l u e s f o r t h e r e q u i r e d S NR o f t h e r e c e i v e d CFCp a c k e t i n o r d e r t o t a k e p a r t o f t h e c o o p e r a t i v e p r o c e s s . N o t et h a t t h e s e v a l u e s c a n b e m a p p e d i n t o t w o d i s t a n c e s f r o m t h ep e t i t i o n e r . C o n s i d e r t h e s c e n a r i o r e p r e s e n t e d i n F i g . 3 . T h en o d e i n t h e c e n t e r o f t h e t w o c o n c e n t r i c c i r c l e s r e p r e s e n t s t h e

O _0



4/5

T h e 1 8 t h A n n u a l IEEE I n t e r n a t i o n a l Symposium o n P e r s o n a l , I n d o o r a n d M o b i l e R a d i o C o m m u n i c a t i o n s ( P I M R C ' 0 7 )p e t i t i o n e r . T h e c i r c l e o f r a d i u s R r e p r e s e n t s t h e i d e a l t r a n s m i s -s i o n r a n g e o f t h e CFC b r o a d c a s t ( o n l y c o n s i d e r i n g p a t h l o s s ) ,b e i n g N t h e t o t a l n u m b e r o f c o n t a i n e d n o d e s . T h e p r o b a b i l i t yf o r a g i v e n n o d e t o b e a t t h e d i s t a n c e x f r o m t h e s e n d e r o f t h eCFC p a c k e t , w i t h d 1 < x < d 2 i s g i v e n b y

PA ( x ) =p di o c ) . T h i s r e s u l t a l s o e n s u r e s t h a t t h e P I R r e q u i r e -m e n t s w i l l b e s a t i s f i e d M > 2 m ) .

V . ON-DEMAND MULTI-LEVEL COOPERATIONB . P r o b a b i l i t y o f i n s u f f i c i e n t r e s p o n s e sA s d i s c u s s e d e a r l i e r , t h e r e i s a n o n - n e g l i g i b l e p r o b a b i l i t y t h a tn o t e n o u g h r e l a y s r e s p o n d t o t h e CFC m e s s a g e ( s a t i s f y t h e

T h e l a s t p r e s e n t e d c o o p e r a t i v e s t r a t e g y i s b a s e d o n t h e C a r r i e rS e n s i n g P r i o r i t i z a t i o n [ 1 2 ] . I n t h i s c a s e , t h e c o n t e n t i o n w i n -d o w s o f t h e p o t e n t i a l r e l a y s a r e c h o s e n a s a f u n c t i o n o f a s e t o f

I I

d ,x

2

1 6

a: 1 3 P T p 7T - Tm



5/5

T h e 1 8 t h A n n u a l IEEE I n t e r n a t i o n a l Symposium o n P e r s o n a l , I n d o o r a n d M o b i l e R a d i o C o m m u n i c a t i o n s ( P I M R C ' 0 7 )

3 5

a : 2 5 + m50@5

5 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 70 80 9 0 1 0 0A v e r a g e N o d e s C l a i m e d f o r C o o p e r a t i o n M

10 0 1C) 8 0B 0 _-o

1 , 4 0 2 0_Q-

o l 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 70 80 9 0 1 0 0A v e r a g e N o d e s C l a i m e d f o r C o o p e r a t i o n M

0. 5 1 1 . 5 2 2. 5A v e r a g e N o d e s C l a i m e d p er C a t e g o r y M

m=+ m = 5

0. 5 1 1 . 5 2 2. 5A v e r a g e N o d e s C l a i m e d p e r C a t e g o r y M

Figure 5 : A v e r a g e C o o p e r a t i o n T i m e a n d O p t i m a l C o n t e n t i o n Window

c o n d i t i o n s t h a t d e f i n e d i f f e r e n t c a t e g o r i e s o f r e l a y s . F o r a g i v e nc a t e g o r y k t h e c o n t e n t i o n window i s p r e - d e t e r m i n e d ; a l l r e l a y sw h i c h l a y w i t h i n t h e same c a t e g o r y w i l l c o l l i d e . I n t h e d i s t a n c ed e p e n d e n t s c e n a r i o , t h e CWi o f a g i v e n n o d e i i s s e t a c c o r d -i n g t o CWi = f ( d ) , b e i n g d t h e f i g u r e o f m e r i t ( d i s t a n c e ) ,a n d f a q u a n t i f i e d f u n c t i o n w i t h k l e v e l s . W i t h t h i s s t r a t e g y ,t h e b e s t r e l a y s ca n b e p r o m o t e d t o t r a n s m i t f i r s t b y p r o p e r l yd e f i n i n g t h e n u m b e r o f l e v e l s k a n d t h e i r r e s p e c t i v e CWk. Asa f o r e m e n t i o n e d , t h i s d i s t a n c e ca n b e d e r i v e d f r o m t h e e s t i m a -t i o n o f t h e S NR r e c e i v e d f r o m t h e C F C , i . e . , CWi = f ( S N R ) .T o s i m p l i f y t h e a n a l y s i s , t h e f u n c t i o n f i s d e s i g n e d t o i n c l u d et h e same average n u m b e r o f r e l a y s p er l e v e l ( d i s t a n c e t o t h ep e t i t i o n e r ) . I n F i g . 6 t h e average l e v e l i n w h i c h t h e l a s t r e -l a y t r a n s m i t s i s p l o t t e d . T h i s i s e q u i v a l e n t t o t h e p a r a m e t e r sWm o r TCRT p l o t t e d i n p r e v i o u s s e c t i o n s as a f u n c t i o n o f t h eaverage n u m b e r o f n o d e s c l a i m e d p er c a t e g o r y . N o t e t h a t t h eh i g h e r t h e n u m b e r o f r e l a y s per l e v e l , t h e g r e a t e r t h e p r o b a -b i l i t y o f c o l l i s i o n . H o w e v e r , t h e l o w e r t h e average number o fr e l a y s p er l e v e l , t h e g r e a t e r t h e n u m b e r o f l e v e l s a n d t h e g r e a t e rt h e m a x i m u m CW a n d , h e n c e , t h e average T C R T . An o p t i m a lc h o i c e o f t h e average number o f n o d e s p er l e v e l w i l l b e a r o u n dM = 1 . N o t e t h a t , a l s o i n t e r m s o f average number o f c o l l i -s i o n s , t h e p e r f o r m a n c e o f t h i s s t r a t e g y i s q u i t e s i m i l a r t o t h a t o ft h e c o n d i ti o n al s t r a t e g y i n p r e v i o u s s e c t i o n .

V I . CONCLUSIONI n t h i s pa per t h r e e On-Demand C o o p e r a t i o n s t r a t e g i e s h a v eb e e n a n a l y z e d f r o m t h e MRAC p o i n t o f v i e w ; f l a t c o o p e r a t i o n ,c o n d i t i o n a l c o o p e r a t i o n a n d m u l t i l e v e l c o o p e r a t i o n . Whenevera n y n o d e a s k s f o r c o o p e r a t i o n , a l l t h e p o t e n t i a l r e l a y s ar e t r i g -g e r e d a t o n c e . T h i s l e a d s t o a severe c h a l l e n g e f r o m t h e MACp o i n t v i e w s i n c e a l l n o d e s w i l l t r y t o g e t access t o t h e c h a n n e la t t h e same t i m e s e t t i n g t h e n e t w o r k i n s a t u r a t i o n c o n d i t i o n s .We show t h a t f o r t h i s k i n d o f c o o p e r a t i v e s c e n a r i o s , i t i s nec-essary t o d e v e l o p new a n d e f f i c i e n t MAC p r o t o c o l s t a i l o r e d f o rt h e c o o p e r a t i v e s p e c i f i c r e q u i r e m e n t s . The e m p l o y e d m e t h o d -o l o g y m a k e s t h e r e s u l t s a n d c o n c l u s i o n s v a l i d f o r a w i d e r a n ge

F i g u r e 6 : O n - D e m a n d M u l t i - L e v e l C o o p e r a t i o n TCRT a n d t h e a v e r a g en u m b e r o f c o l l i s i o n so f c o o p e r a t i v e s c e n a r i o s a n d h e n c e , f o r a w i d e r a n g e o f a p p l i -c a t i o n s .

REFERENCES[ 1 ] T . M. C o v e r a n d A . E . G a m a l , C a p a c i t y t h e o r e m s f o r t h e r e l a y c h a n n e l ,IEEE T r a n s . I n f o r m . T h e o r y , v o l . 2 5 , n o . 5 , p . 5 7 2 , S e p t . 1 9 7 9 .[ 2 ] A . S e n d o n a r i s , E . E r k i p , a n d B . A a z h a n g , I n c r e a s i n g u p l i n k c a p a c i t yv i a u s e r c o o p e r a t i o n d i v e r s i t y , i n i n P r o c IEEE I n t . S y m p . I n f o r m a t i o nT h e o r y ( I S I T ' 9 8 ) , C a m b r i d g e , MA, A u g . 1 9 9 8 , p . 1 5 6 .[ 3 ] U s e r c o o p e r a t i o n d i v e r s i t y - p a r t I : S y s t e m d e s c r i p t i o n , , IEEET r a n s . C o m m u n . , v o l . 5 1 , n o . 1 1 , p p . 1 9 2 7 - 1 9 3 8 , N o v . 2 0 0 3 .[ 4 ] U s e r c o o p e r a t i o n d i v e r s i t y - p a r t I I : I m p l e m e n t a t i o n a s p e c t s a n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i s , IEEE T r a n s . C o m m u n . , v o l . 5 1 , n o . 1 1 , p p . 1 9 3 9 -

1 9 4 8 , N o v . 2 0 0 3 .[ 5 ] J . N . L a n e m a n , D . N . C . T s e , a n d G . W . W o r n e l l , C o o p e r a t i v e d i v e r -s i t y i n w i r e l e s s n e t w o r k s : E f f i c i e n t p r o t o c o l s a n d o u t a g e b e h a v i o r , IEEET r a n s . I n f o r m . T h e o r y , v o l . 5 0 , n o . 1 2 , D e c. 2 00 4.[ 6 ] J . N . L a n e m a n a n d G . W . W o m e l l , D i s t r i b u t e d s p a c e - t i m e - c o d e d p r o -t o c o l s f o r e x p l o i t i n g c o o p e r a t i v e d i v e r s i t y i n w i r e l e s s n e t w o r k s , IEEET r a n s . I n f o r m . T h e o r y , v o l . 4 9 , n o . 1 0 , p p . 2 4 1 5 - 2 5 , 2 0 0 3 .[ 7 ] P . L i u , Z . T a o , a n d S . S . P a n w a r , A c o o p e r a t i v e MAC p r o t o c o l f o r w i r e -l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k s , i n i n P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 5 IEEE I n t e r n a -t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o m m u n i c a t i o n s ( I C C ) , S e o u l , K o r e a May 2 0 0 5 .[ 8 ] T . K o r a k i s , S . N a r a y a n a n , A . B a g r i , a n d S . P a n w a r , I m p l e m e n t i n g ac o o p e r a t i v e MAC p r o t o c o l f o r w i r e l e s s L A N s , i n i n P r o c e e d i n g s o f t h e2 0 0 6 IEEE I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o m m u n i c a t i o n s ( I C C ) , 2 0 0 6 .[ 9 ] J . A l o n s o , J . G o m e z , C . V e r i k o u k i s , L . A l o n s o , a n d A . I . P e r e z - N e i r a , P e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f a c o o p e r a t i v e s c h e m e f o r w i r e l e s s n e t w o r k s ,i n S y m p o s i u m o n P e r s o n a l , I n d o o r a n d M o b i l e R a d i o C o m m u n i c a t i o n s( P I M R C ) , H e l s i n k i ( F i n l a n d ) , S e p t . 2 0 0 6 .

[ 1 0 ] G . B i a n c h i , P e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f t h e IEEE 8 0 2 . 1 1 d i s t r i b u t e d c o o r -d i n a t i o n f u n c t i o n , IEEE J S e l e c t . A r e a s C o m m u n . , v o l . 1 8 , n o . 3 , M a r .[ 1 1 ] M. H e u s s e , F . R o u s s e a u , G . B e r g e r - S a b b a t e l , a n d A . D u d a , P e r f o r m a n c ea n o m a l y o f 8 0 2 . 1 l b , i n I n P r o c e e d i n g s o f IEEE INFOCOM 2 0 0 3 , S a nF r a n c i s c o , U S A , M a r . 2 00 3.[ 1 2 ] Q . Z h a o a n d L . T o n g , O p p o r t u n i s t i c c a r r i e r s e n s i n g f o r e n e r g y - e f f i c i e n ti n f o r m a t i o n r e t r i e v a l i n s e n s o r n e t w o r k s , EURASIP J W i r e l . C o m m u n .N e t w . , v o l . 2 0 0 5 , n o . 2 , p p . 2 3 1 - 2 4 1 , 2 0 0 5 .

8 0I. 70

E 6 03 :0 5 0Z5 4 0 3 0: 1 . T. 2 0-- l o-- l

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3 53 0

. 2 5.m. 20

Z 5 152I 0

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