PHY/MAC CROSS LAYER PERFORMANCE OF HIGHLY DENSE NETWORKS ADOPTING MULTI-PACKET RECEPTION

Abstract

Decentralized wireless networks offer distinct advantages but grapple with challenges concerning spectrum efficiency and overall throughput. This thesis focuses on harnessing advanced PHY layer technologies, including Multiple Packet Reception (MPR), Direc- tional Beamforming (BF), and In-Band Full-Duplex (IBFDX), while considering spatial information, propagation effects, and mobility. The primary objectives of this thesis encompass characterizing residual self-interference (SI) in IBFDX systems within multi-tap delay fading channels, modeling aggregate interfer- ence in both static and mobile directional BF networks, and performing a comprehensive performance analysis of directional BF networks, particularly when combined with MPR technology and IBFDX radios. Additionally, this work assesses the applicability of the proposed models across various wireless communication technologies and applications, such as Narrowband Internet of Things (NB-IoT) and Grant-Free (GF) access networks. Furthermore, this thesis also explores the design of decentralized Medium Access Control (MAC) policies that optimize spatial frequency reuse, a key benefit of directional BF. The proposed scheme also coordinates the channel access of the network nodes based on PHY-layer conditions, including the adoption of IBFDX communications at the receiver side. In summary, this work aims to enhance the efficiency and throughput of decentralized wireless networks by bridging the gap between PHY and MAC layers. By addressing the challenges posed by advanced PHY technologies and designing an adaptive MAC mech- anism, it seeks to make decentralized networks more competitive with their centralized counterparts.

As redes de comunicação sem fios descentralizadas oferecem várias vantagens, mas enfrentam desafios em termos de eficiência espectral e em termos de débito em geral. Esta tese foca-se no aproveitamento de tecnologias avançadas de camada física (PHY), incluindo a recepção de múltiplos pacotes (MPR), a formação de feixes direcionais (BF) e as tecnologias de full-duplex (IBFDX), considerando ainda as caraterísticas espaciais da rede, os efeitos de propagação e a possível mobilidade dos nós. Os objetivos desta tese abrangem a caracterização da auto-interferência residual (SI) em sistemas IBFDX dentro de canais de desvanecimento de multiplos atrasos, modelando a interferência agregada em redes BF direcionais estáticas e móveis, e realizando uma análise abrangente de desempenho de redes BF direcionais, particularmente quando combinado com tecnologia MPR e rádios IBFDX. Além disso, este trabalho avalia a aplicabilidade dos modelos propostos em diversas tecnologias e aplicações de comunicações sem fios, tais como as redes de acesso Narrowband Internet of Things (NB-IoT) e Grant-Free (GF). Além disso, esta tese também explora a concepção de políticas descentralizadas de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) que otimizem a reutilização de frequência espacial, um benefício chave do BF direcional. O esquema proposto também coordena o acesso ao canal dos nós da rede com base nas condições da camada PHY, incluindo o caso em que são adotadas comunicações IBFDX no lado do receptor. Em resumo, este trabalho visa estudar o desempenho de redes sem fios descentralizadas de forma a aumentar o seu rendimento, preenchendo a lacuna entre as camadas PHY e MAC. Ao abordar os desafios colocados pelas tecnologias PHY avançadas e conceber um mecanismo MAC adaptativo, esta tese procura tornar as redes descentralizadas mais competitivas com as suas contrapartes centralizadas.