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Finished My Diploma Thesis on 802.11 in ns-3

Posted on 2009-04-29 17:30 by Timo Bingmann at Permlink with 2 Comments. Tags: ns-3 university

After a very exhausting last week with lots of writing and little sleep, my diploma thesis is finally complete. The thesis is on enhancements to the 802.11 model and EDCA (enhanced distributed coordination access) QoS (quality of service) extensions in the new network simulator ns-3.

The thesis is written in English and a copy of the abstract and table of contents is located below. There is also a Zusammenfassung in German.

It is available as PDF in different variants:

Standard PDF version: thesis-bingmann-ns-3-wifi.pdf (3469 kB)
Better printable version (with black links): in RGB color with binding offset (3482 kB)
in CMYK color with binding offset (3381 kB)

Beyond the thesis itself, an extra page contains additional material like the source code, plot results and a snapshot of ns-3 at that time.

Shortened Table of Contents

Abstract

For studying wireless networks like mobile or vehicular ad-hoc networks, simulation is an indispensable tool. ns-3 is the designated successor of ns-2, the well-known open-source packet-level simulator widely used in network research. ns-3 is a new modern network simulator designed from scratch blending state-of-the-art software engineering methods with experiences gained from ns-2.

For this thesis, the 802.11 implementation in ns-3 was compared to the ns-2 models improved by the DSN research group in 2007. These contributed physical and channel layer enhancements were transferred to ns-3. The implemented model code yields equal results as in ns-2, while adapting applicable code modules and integrating cleanly in the existing ns-3 model design. The log-distance and Nakagami-m propagation loss models, as added to ns-2 by the DSN, were restructured and ported to ns-3 as separate path loss and fast fading components. Likewise the improved ns-2 PHY layer model, based on a SINR reception criterion, was transferred from ns-2 to ns-3. This new PHY implementation features the frame capture effect and is verified to produce equal results as the corresponding ns-2 code. Both the new SINR and existing BER/PER reception criteria are thoroughly discussed in the first part of this thesis.

The second focus is on EDCA extensions, which were added to ns-3 and enable experiments with relative, decentralized QoS in wireless ad-hoc networks. The developed EDCA implementation builds on the existing DCF design, which was minutely examined and is reviewed in this thesis. Necessary modifications thereof and further extensions as TXOP limits and burst sequences were added to fulfill 802.11e specifications. The added code is verified using maximum throughput experiments, which are compared against analytically determined reference results. Furthermore, relative QoS as provided by EDCA is spotlighted in a second simulation scenario with an increasing number of differently prioritized traffic streams.

Use of the 802.11 models added in this thesis allow a convincing speed comparison of wireless simulations in ns-2 and ns-3. For this purpose a complex abstract highway scenario was designed and identical experiments were created with both simulators. These were tested to produce exactly equal results by using components added for this thesis. Different compilers, optimization levels and build options were tested and their effects on simulation execution time are explained. Possible future work on ns-3 to further reduce wireless simulation run time is shortly sketched. In the speed test, execution time of ns-3 showed a reduction of up to 59% over identical ns-2 simulations.

Zusammenfassung

Simulation ist ein unverzichtbares Werkzeug zur Entwicklung neuer Applikationen für drahtlose Netzwerke wie mobile Ad-hoc- oder Fahrzeugnetze. ns-3 ist der designierte Nachfolger von ns-2, dem sehr bekannten und in der Forschung aktuell am häufigsten eingesetzten open-source Netzwerksimulator. Mit ns-3 wurde ein vollständig neu konstruiertes Simulatordesign entwickelt, in dem Erfahrungen von ns-2 eingehen und modernste Softwareentwicklungsmethoden und Programmiersprachen eingesetzt werden.

In dieser Arbeit wurde die vorhandene 802.11 Implementierung des ns-3 mit dem verbesserten ns-2 Modell der DSN Forschungsgruppe vergleichen und die neuesten Erweiterungen der Kanalmodellierung und physischen Schicht in ns-3 übertragen. Die daraus resultierenden neuen Modelle verhalten sich identisch zu den ns-2 Vorgaben und wurden durch Wiederverwendung existierender Komponenten nahtlos in das bestehende ns-3 Design integriert. Die vom DSN beigetragenen log-distance und Nakagami-m Wellenausbreitungsmodelle wurden restrukturiert und in ns-3 als separate Funkfelddämpfung- und Interferenzschwundmodelle portiert. Entsprechend wurde das erweiterte auf einem SINR Empfangskriterium basierende PHY-Schichtmodell von ns-2 nach ns-3 übertragen. Diese neue PHY Implementierung modelliert den „Capture Effect“ und liefert identische Werte wie das entsprechende ns-2 Modell. Sowohl das neue SINR als auch das vorhandene BER/PER Empfangskriterium werden im ersten Teil dieser Arbeit detailliert dargelegt.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Eingliederung der EDCA Erweiterungen in ns-3, durch die Experimente mit relativem, dezentralisiertem QoS in drahtlosen Ad-hoc-Netzen möglich werden. Die entwickelte EDCA Implementierung baut auf dem bestehenden DCF Design auf, welches in dieser Arbeit eingehend untersucht wird. Um den 802.11e Standard zu erfüllen, wurden entsprechende Basisänderungen vorgenommen und darüber hinaus TXOP Zeitschranken und „burst“ Paketfolgen implementiert. Die EDCA Erweiterungen wurden mit zwei Experimenten überprüft, wobei in der ersten Untersuchung simulativ gemessene maximale Durchsatzwerte mit rechnerisch ermittelten Referenzwerten verglichen wurden und im zweiten Szenario die von EDCA ermöglichte relative QoS an Hand einer steigenden Zahl von Paketflüssen unterschiedlicher Priorität besonders herausgestellt wurde.

Die in dieser Arbeit implementierten Modelle ermöglichen einen aussagekräftigen Geschwindigkeitsvergleich von Wireless LAN Experimenten in ns-2 und ns-3. In beiden Simulatoren wurde ein abstraktes Autobahnszenario identisch nachgebildet mit exakt denselben experimentellen Ergebnissen. Zur Messung wurden verschiedene Compiler, Optimierungsstufen und Linkertechniken angewandt und deren Auswirkungen auf die Ausführungszeit untersucht und begründet. Mögliche zukünftige Ansätze zur weiteren Verkürzung der Simulationslaufzeit werden kurz umrissen. Die Geschwindigkeitsmessungen ergaben erhebliche Laufzeitersparnisse von bis zu 59% mit ns-3 gegenüber identische ns-2 Simulationen.


Comment by FRANK at 2012-09-26 16:06 UTC
how do i contact you personally. I want to ask some questions about ns-3
Comment by Timo at 2012-10-04 09:07 UTC
I don't work on ns-3 anymore, so I guess the ns-developer mailing list is a better place to ask.
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