ADAPT: An adaptive directional antenna protocol for medium access control in terahertz networks

Abstract

Terahertz (THz) band communications are emerging as a key technology for the next generation of wireless communications, with the potential to realize ultra-broadband Terabit-per-second (Tbps) links. However, the unique characteristics of this band pose several challenges that prevent the realization of practical communication systems as of today. At link level, the use of directional antennas (DAs) in both ends is needed to overcome a high path loss, which means that traditional medium access control (MAC) protocols cannot be reused. In this thesis, an Adaptive Directional Antenna Protocol for THz networks (ADAPT) is proposed. This is a novel MAC protocol for ultra-broadband directional wireless networks with a centralized architecture. It is based on a receiver-initiated 3-way handshake for link-level synchronization and collision avoidance. Due to the use of DAs, space is discretized in virtual sectors and a turning antenna in the access point periodically sweeping the area to provide coverage to all nodes. Adaptive sector time and adaptive modulation mechanisms are designed to improve the protocol capabilities. Apart from the 3-way handshake protocol (ADAPT-3), a 1-way version is also presented (ADAPT-1). Their performance is investigated in terms of throughput and packet discard rate through extensive simulations in TeraSim, an ns-3-based THz networks simulator. In parallel, an analytical model of the protocol is developed and validated. Results demonstrate that the proposed protocol improves the state of the art and enables small cells with throughput rates in excess of 100 Gigabit-per-second.

Las telecomunicaciones en la banda de Terahercios (THz) están emergiendo como una tecnología clave para la siguiente generación de comunicaciones móviles, con potencial para llevar a la práctica enlaces de Terabit-por-segundo (Tbps). Sin embargo, las características únicas de esta banda introducen nuevos retos aún por resolver. En la capa de enlace, el uso de antenas direccionales para contrarrestar el efecto de las altas pérdidas de propagación no permite reutilizar protocolos tradicionales de control de acceso al medio (MAC). En este trabajo se presenta ADAPT (Adaptive Directional Antenna Protocol for THz networks), un protocolo MAC para redes direccionales de gran ancho de banda. El protocolo se basa en un 3-way handshake iniciado por el receptor para garantizar sincronismo a nivel de enlace y evitar colisiones. Debido al uso de antenas direccionales, el espacio se discretiza en sectores virtuales y una antena giratoria en el punto de acceso cubre periódicamente toda el área. El protocolo incluye un tiempo de sector adaptativo, así como un mecanismo de adaptación de la modulación. Además de la versión 3-way (ADAPT-3), también se presenta una versión 1-way (ADAPT-1). El rendimiento del protocolo se ha evaluado en términos de throughput y probabilidad de descarte con simulaciones en TeraSim, un simulador de redes en THz basado en ns-3. Paralelamente, se ha desarrollado y validado un modelo analítico del protocolo. Los resultados muestran que el protocolo mejora el estado del arte y permite velocidades superiores a los 100 Gigabit-por-segundo.

Les telecomunicacions a la banda de Terahertzs (THz) estan emergint com una tecnologia clau per a la pròxima generació de comunicacions mòbils, amb potencial per portar a la pràctica enllaços de Terabit-per-segon (Tbps). No obstant, les característiques úniques d'aquesta banda introdueixen nous reptes encara per resoldre. A la capa d'enllaç, l'ús d'antenes direccionals per contrarestar l'efecte de les altes pèrdues de propagació no permet reutilitzar protocols tradicionals de control d'accés al medi (MAC). En aquest treball es presenta ADAPT (Adaptive Directional Atenna Protocol for THz networks), un nou protocol MAC per a xarxes direccionals i de gran ample de banda. El protocol es basa en un 3-way handshake iniciat pel receptor per garantir sincronisme a nivell d'enllaç i evitar col·lisions. Degut a l'ús d'antenes direccionals, l'espai es discretitza en sectors virtuals i una antena giratòria al punt d'accés cobreix periòdicament tota l'àrea. El protocol inclou un temps de sector adaptatiu, així com un mecanisme d'adaptació de la modulació. A banda de la versió 3-way (ADAPT-3), també es presenta una versió 1-way (ADAPT-1). El rendiment del protocol s'ha avaluat en termes de throughput i probabilitat de descartar el paquet amb extenses simulacions a TeraSim, un simulador de xarxes en THz basat en ns-3. Paral·lelament, s'ha desenvolupat i validat un model analític del protocol. Els resultats mostren que el protocol millora l'estat de l'art i permet velocitats superiors als 100 Gigabit-per-segon.