2008 MH-WiFiRe Multi-Hop Extension to WiFiRe -Thesis

8/3/2019 2008 MH-WiFiRe Multi-Hop Extension to WiFiRe -Thesis

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M H - W i F i R e : M u l t i - H o p E x t e n s i o n t o W i F i R e

D i s s e r t a t i o n

s u b m i t t e d i n p a r t i a l f u l l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s

f o r t h e d e g r e e o f

M a s t e r o f T e c h n o l o g y

b y

K e d a r A j i t R u d r e

( R o l l n o . 0 6 3 2 9 0 3 6 )

u n d e r t h e g u i d a n c e o f

P r o f . S r i d h a r I y e r

a n d

P r o f . P u r u s h o t t a m K u l k a r n i

C o m p u t e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t

I n d i a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y B o m b a y

J u l y 2 0 0 8


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D i s s e r t a t i o n A p p r o v a l S h e e t

T h i s i s t o c e r t i f y t h a t t h e d i s s e r t a t i o n e n t i t l e d

M H - W i F i R e : M u l t i - H o p E x t e n s i o n t o W i F i R e

b y

K e d a r A j i t R u d r e

( R o l l n o . 0 6 3 2 9 0 3 6 )

i s a p p r o v e d f o r t h e d e g r e e o f M a s t e r o f T e c h n o l o g y .

P r o f . S r i d h a r I y e r

( S u p e r v i s o r )

P r o f . P u r u s h o t t a m K u l k a r n i

( C o - S u p e r v i s o r )

P r o f . A n i r u d d h a S a h o o

( I n t e r n a l E x a m i n e r )

D r . V i j a y R a i s i n g h a n i

( E x t e r n a l E x a m i n e r )

P r o f . A n i r u d d h a J o s h i

( C h a i r p e r s o n )

D a t e :

P l a c e :

2


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I N D I A N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y B O M B A Y

C E R T I F I C A T E O F C O U R S E W O R K

T h i s i s t o c e r t i f y t h a t M r . K e d a r R u d r e w a s a d m i t t e d t o t h e c a n d i d a c y o f t h e

M . T e c h . D e g r e e a n d h a s s u c c e s s f u l l y c o m p l e t e d a l l t h e c o u r s e s r e q u i r e d f o r t h e M . T e c h . P r o -

g r a m m e . T h e d e t a i l s o f t h e c o u r s e w o r k d o n e a r e g i v e n b e l o w .

S r . N o . C o u r s e N o . C o u r s e N a m e C r e d i t s

S e m e s t e r 1 ( J u l N o v 2 0 0 6 )

1 . I T 6 3 4 C o m m u n i c a t i o n N e t w o r k i n g 6

2 . I T 6 1 9 F o u n d a t i o n L a b 8

3 . I T 6 0 1 M o b i l e C o m p u t i n g 6

4 . H S 6 9 9 C o m m u n i c a t i o n a n d P r e s e n t a t i o n S k i l l s ( P / N P ) 4

3 . I T 6 0 3 D a t a b a s e M a n a g e m e n t S y s t e m s 6

5 . I T 6 2 3 F o u n d a t i o n c o u r s e o f I T - P a r t I I 6

6 . I T 6 5 3 N e t w o r k S e c u r i t y 6

S e m e s t e r 2 ( J a n A p r 2 0 0 7 )

7 . I T 6 9 4 S e m i n a r 4

8 . C S 6 8 1 P e r f o r m a n c e A n a l y s i s o f C o m p u t e r S y s t e m s a n d N e t w o r k 6

9 . H S 7 0 1 D e v e l o p m e n t , T e c h n o l o g y a n d G l o b a l O r d e r ( I n s t i t u t e E l e c t i v e ) 6

1 0 . I T 6 2 0 N e w T r e n d s i n I T ( S e n s o r N e t w o r k s ) 6

1 1 . I T 6 1 0 Q u a l i t y o f S e r v i c e i n N e t w o r k s 6

S e m e s t e r 3 ( J u l N o v 2 0 0 7 )

1 2 . C S 6 0 1 A l g o r i t h m s a n d C o m p l e x i t y 6

1 3 . C S 6 0 1 C o m p u t e r N e t w o r k s ( A u d i t ) 6

M . T e c h . P r o j e c t

1 4 . I T 6 9 6 M . T e c h . P r o j e c t S t a g e - I ( J u l 2 0 0 7 ) 1 8

1 5 . I T 6 9 7 M . T e c h . P r o j e c t S t a g e - I I ( J a n 2 0 0 8 ) 3 0

1 6 . I T 6 9 8 M . T e c h . P r o j e c t S t a g e - I I I ( J u l 2 0 0 8 ) 4 2

I . I . T . B o m b a y D y . R e g i s t r a r ( A c a d e m i c )

D a t e d :

3


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A c k n o w l e d g e m e n t s

I t a k e t h i s o p p o r t u n i t y t o e x p r e s s m y s i n c e r e g r a t i t u d e t o w a r d s P r o f . P u r u s h o t t a m

K u l k a r n i a n d P r o f . S r i d h a r I y e r f o r t h e i r c o n s t a n t s u p p o r t a n d e n c o u r a g e m e n t . T h e i r

e x c e l l e n t g u i d a n c e h a s b e e n i n s t r u m e n t a l i n m a k i n g t h i s p r o j e c t w o r k a s u c c e s s .

I w o u l d l i k e t o t h a n k D r . S h a r a d J a i s w a l f o r u s e f u l i n s i g h t s a t t h e s t a r t t h e p r o j e c t .

I w o u l d l i k e t o t h a n k m e m b e r s o f t h e N e t w o r k R e s e a r c h G r o u p a t K R e S I T f o r t h e i r

v a l u a b l e s u g g e s t i o n s a n d h e l p f u l d i s c u s s i o n s .

I w o u l d a l s o l i k e t o t h a n k m y f a m i l y a n d f r i e n d s , w h o h a v e b e e n a s o u r c e o f e n c o u r -

a g e m e n t a n d i n s p i r a t i o n t h r o u g h o u t t h e d u r a t i o n o f t h e p r o j e c t . I w o u l d l i k e t o t h a n k

t h e e n t i r e K R e S I T f a m i l y f o r m a k i n g m y s t a y a t I I T B o m b a y a m e m o r a b l e o n e .

K e d a r R u d r e

I . I . T . B o m b a y

J u l y

3rd,

2008

4


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A b s t r a c t

C o s t e e c t i v e n e s s i s a n i m p o r t a n t c r i t e r i o n f o r a n y t e c h n o l o g y / s y s t e m t o b e s u c c e s s f u l

i n r u r a l r e g i o n s . W i F i R e : W i F i R u r a l E x t e n s i o n b a s e d o n 8 0 2 . 1 1 p r o v i d e s l o w c o s t

b r o a d b a n d I n t e r n e t a c c e s s f o r r u r a l r e g i o n s a n d s u p p o r t s r e a l t i m e t r a c l i k e V o I P a n d

V i d e o . W i F i R e a s s u m e s s t a r t o p o l o g y w i t h i t s c e l l c o v e r i n g a c i r c u l a r r e g i o n o f 1 5 - 2 0 k m s i n

r a d i u s . D u e t o i t s s i n g l e h o p n a t u r e , i t s u e r s f r o m d r a w b a c k s l i k e l i n e o f s i g h t r e q u i r e m e n t

a n d x e d c o v e r a g e a r e a . I n t h i s p r o j e c t , w e e x t e n d W i F i R e t o m u l t i p l e h o p s a n d p r e s e n t

m u l t i - h o p W i F i R e a r c h i t e c t u r e w h i c h a l l e v i a t e s t h e d r a w b a c k s o f W i F i R e .

W e r s t p r e s e n t d i e r e n t a r c h i t e c t u r e s f o r m u l t i - h o p W i F i R e a n d c o m p a r e t h e m o n

d i e r e n t d i m e n s i o n s i m p o r t a n t f r o m t h e p e r s e p e c t i v e o f f e a s i b i l i t y o f t h e s y s t e m i n r u r a l

r e g i o n . W e a l s o p r e s e n t d e t a i l e d c o s t a n d c o v e r a g e a n a l y s i s f o r s o m e o f t h e s e a r c h i t e c t u r e s .

O n t h e b a s i s o f t h i s c o m p a r a t i v e a n a l y s i s , w e s e l e c t a n a r c h i t e c t u r e b a s e d o n t r e e t o p o l o g y

f o r f u r t h e r s t u d i e s . O u r n e x t c o n t r i b u t i o n i s i n p r o v i d i n g d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e M A C

p r o t o c o l f o r t h e m u l t i - h o p s y s t e m . W e c o n s i d e r T D M A b a s e d M A C p r o t o c o l i n u e n c e d b y

2 P . W e p r e s e n t M A C l e v e l f r a m e s t r u c t u r e a n d f u r t h e r g i v e d e t a i l e d p r o c e d u r e s r e q u i r e d

t o p e r f o r m t a s k s o f t h e M A C p r o t o c o l . T o p e r f o r m t i m e s l o t s a l l o c a t i o n , w e p r o p o s e

t h r e e d i e r e n t s c h e d u l i n g s c h e m e s . W e t h e n p e r f o r m c o m p a r a t i v e a n a l y s i s f o r t h e s e t h r e e

s c h e d u l i n g s c h e m e s .

T h e n e x t c o n t r i b u t i o n o f o u r p r o j e c t i s a t o o l t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e m u l t i -

h o p W i F i R e s y s t e m . W e c o m p a r e p e r f o r m a n c e o f o u r s y s t e m f o r d i e r e n t c o d e c s . W e

p r e s e n t d e l a y a n a l y s i s , c o v e r a g e a n a l y s i s a n d c a p a c i t y a n a l y s i s o f t h e s y s t e m . T h r o u g h

t h i s a n a l y s i s w e s h o w t h a t i t s n o t o n l y f e a s i b l e t o h a v e m u l t i - h o p e x t e n s i o n b u t i t s a l s o

p o s s i b l e t o p e r f o r m t r a d e - o b e t w e e n c o v e r a g e a n d n u m b e r o f V o I P c a l l s s u p p o r t e d . T h e

t r a d e - o d e p e n d s o n t y p e o f c o d e c a n d s c h e d u l i n g s c h e m e . T h e n a l c o n t r i b u t i o n o f t h e

p r o j e c t i s t h e f u t u r e w o r k t h a t c a n b e d o n e i n t h e s a m e d o m a i n .


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7/73

4 C o s t A n a l y s i s o f A r c h i t e c t u r e s 2 4

4 . 1 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4

4 . 1 . 1 L o n g D i s t a n c e W i r e l e s s L i n k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4

4 . 1 . 2 T y p i c a l W i F i R e S c e n a r i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

4 . 2 C o s t C o m p a r i s o n o f A r c h i t e c t u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0

4 . 2 . 1 C o v e r a g e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0

4 . 2 . 2 P r o b a b i l i s t i c C o s t M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2

4 . 3 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

5 T r e e B a s e d M H - W i F i R e A r c h i t e c t u r e 3 6

5 . 1 O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6

5 . 2 A s s u m p t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7

5 . 3 F r a m e S t r u c t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

5 . 4 M A C P r o t o c o l O v e r v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

5 . 5 A d v a n t a g e s o v e r W i F i R e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

6 M H - W i F i R e M A C P r o t o c o l 4 3

6 . 1 I n i t i a l S e t u p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3

6 . 2 R e g i s t r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4

6 . 3 C a l l E s t a b l i s h m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5

6 . 4 C a l l T e r m i n a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7

7 S c h e d u l i n g i n M H W i F i R e 4 8

7 . 1 S i m p l e S c h e d u l i n g S c h e m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0

7 . 1 . 1 T e r m s a n d D e n i t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1

7 . 1 . 2 A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2

7 . 2 O t h e r S c h e d u l i n g S c h e m e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5

7 . 2 . 1 S c h e d u l i n g u s i n g S u b - f r a m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5

7 . 2 . 2 S c h e d u l i n g u s i n g C y c l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6

7 . 2 . 3 G r a p h i c a l A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6

7 . 2 . 4 Q u a l i t a t i v e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0

8 C o n c l u s i o n s a n d F u t u r e W o r k 6 2

8 . 1 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2

8 . 2 F u t u r e W o r k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3

R e f e r e n c e s 6 6

2


8/73


9/73

7 . 5 S i m p l e S c h e d u l i n g P o l i c y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1

7 . 6 S i g n i c a n c e o f c y c l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1

7 . 7 D e l a y e x p e r i e n c e d i n S i m p l e s c h e d u l i n g w . r . t H o p s . . . . . . . . . . . . . . 5 4

7 . 8 N u m b e r o f H o p s s u p p o r t e d b y d i e r e n t c o d e c f o r d i e r e n t T o l e r a b l e D e l a y s 5 4

7 . 9 S i m u l t a n e o u s C a l l s a n d h o p s s u p p o r t e d b y d i e r e n t c o d e c s . . . . . . . . . 5 5

7 . 1 0 D i v i s i o n o f f r a m e t o s u b - f r a m e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5

7 . 1 1 D i v i s i o n o f f r a m e t o C y c l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6

7 . 1 2 P e r f o r m a n c e o f S u b - f r a m e a n d C y c l e s c h e m e u s i n g G . 7 2 9 . . . . . . . . . . 5 7

7 . 1 3 P e r f o r m a n c e o f S u b - f r a m e a n d C y c l e s c h e m e u s i n g G . 7 2 8 . . . . . . . . . . 5 7

7 . 1 4 P e r f o r m a n c e o f S u b - f r a m e a n d C y c l e s c h e m e u s i n g G . 7 2 3 . 1 ( 6 . 3 K b p s ) . . . 5 8

7 . 1 5 C a l l s f r o m S e c o n d a r y s y s t e m w . r . t . f r a c t i o n o f s l o t s o c c u p i e d b y P r i m a r y

s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9

7 . 1 6 C a l l s f r o m S e c o n d a r y s y s t e m w . r . t . n u m b e r o f C y c l e s / S u b f r a m e s . . . . . . 6 0

4


10/73

L i s t o f T a b l e s

3 . 1 C o m p a r i s o n o f M H - W i F i R e A r c h i t e c t u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

3 . 2 B e s t C a s e I n f r a s t r u c t u r a l R e q u i r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

4 . 1 C o s t o f T o w e r s / M a s t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6

4 . 2 T y p e o f L i n k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

4 . 3 A n t e n n a s w i t h d i e r e n t B e a m w i d t h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9

7 . 1 D e t a i l s o f d i e r e n t C o d e c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3

7 . 2 C o m p a r i s o n o f C y c l e a n d S u b - f r a m e s c h e m e f o r d i e r e n t c o d e c s . . . . . . 5 8

7 . 3 C o m p a r i s o n o f C y c l e a n d S u b - f r a m e s c h e m e s w i t h 0 . 4 f r a c t i o n o f s l o t s a l -

l o t t e d t o P r i m a r y s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1

5


11/73

A b b r e v i a t i o n s a n d N o t a t i o n s

A b b r e v i a t i o n s

A P : A c t i v i t y P h a s e

B E : B e s t E o r t

B S : B a s e S t a t i o n

B W : B a n d w i d t h

C S M A : C a r r i e r S e n s e M u l t i p l e A c c e s s

C S M A / C A : C a r r i e r S e n s e M u l t i p l e A c c e s s w i t h C o l l i s i o n A v o i d a n c e

C T S : C l e a r T o S e n d

I P : I n t e r n e t P r o t o c o l

I D : I d e n t i e r

L A N : L o c a l A r e a N e t w o r k

L o S : L i n e o f S i g h t

M C N : M u l t i h o p C e l l u l a r N e t w o r k

M S : M o b i l e S t a t i o n

M A C : M e d i a A c c e s s C o n t r o l

M A P : M o b i l e A c c e s s P o i n t

M H - W i F i R e : M u l t i - h o p W i F i R u r a l E x t e n s i o n

n r t P S : N o n - r e a l t i m e P o l l i n g S e r v i c e

N A P : N o A c t i v i t y P h a s e

P o P : P o i n t o f P r e s e n c e

P D U : P r o t o c o l D a t a U n i t

Q o S : Q u a l i t y o f S e r v i c e

R x : R e c e p t i o n

R T S : R e q u e s t T o S e n d

r t P S : r e a l t i m e P o l l i n g S e r v i c e

S C N : S i n g l e h o p C e l l u l a r N e t w o r k

S T : S u b s c r i b e r T e r m i n a l

S I R : S i g n a l t o I n t e r f e r e n c e R a t i o

T x : T r a n s m i s s i o n

T D M A : T i m e D i v i s i o n M u l t i p l e A c c e s s

6


12/73

U L : U p l i n k

U P : U p l i n k P h a s e

U L - M A P : U p L i n k S l o t A l l o c a t i o n M a p

U L - T B : U p l i n g T r a n s p o r t B l o c k

V o I P : V o i c e o v e r I n t e r n e t P r o t o c o l

V N : V i l l a g e N o d e

W A N : W i d e A r e a N e t w o r k

W i F i : W i r e l e s s F i d e l i t y

W i F i R e : W i F i R u r a l E x t e n s i o n

W i M A X : W o r l d w i d e I n t e r o p e r a b i l i t y f o r M i c r o w a v e A c c e s s

7


13/73

C h a p t e r 1

I n t r o d u c t i o n

1 . 1 T e l e c o m m u n i c a t i o n S c e n a r i o o f I n d i a

T h e p a s t d e c a d e h a s w i t n e s s e d c o m m u n i c a t i o n r e v o l u t i o n i n t h e f o r m o f C e l l u l a r n e t w o r k s

a n d I n t e r n e t . B u t m o s t o f t h e d e v e l o p m e n t w a s l i m i t e d t o t h e t h e d e v e l o p e d w o r l d o r

t h e u r b a n p a r t o f t h e d e v e l o p i n g w o r l d . I n I n d i a a l s o , t h e r e w a s t r e m e n d o u s i n c r e a s e

i n t h e c e l l u l a r p h o n e a n d I n t e r n e t u s e r s . T h e c o m p o u n d a n n u a l g r o w t h r a t e o f c e l l u l a r

p h o n e s i n I n d i a f r o m 1 9 9 5 - 2 0 0 1 i s n e a r l y 1 1 0 % [ 2 1 ] , b u t i n t e r m s o f a b s o l u t e g r o w t h i t

i s v e r y l e s s . T h e r e a s o n b e h i n d t h i s i s , d e v e l o p m e n t w a s r e s t r i c t e d o n l y t o t h e u r b a n

p a r t o f I n d i a . T h e r e i s s t i l l v e r y l i t t l e o r n o c o n n e c t i v i t y i n r u r a l I n d i a . T h e C o s t f a c t o r

a s s o c i a t e d w i t h t h e d e p l o y m e n t o f w i r e d i n f r a s t r u c t u r e o r b r o a d b a n d c o n n e c t i v i t y m a k e s

i t u n a o r d a b l e f o r r u r a l I n d i a . T h e a v e r a g e i n c o m e o f r u r a l I n d i a i s v e r y l o w a n d h e n c e

p e o p l e o f r u r a l a r e a s c a n n o t a o r d s u c h e x p e n s i v e t e c h n o l o g i e s . A l s o , s i n c e t h e r e v e n u e

e a r n e d f r o m r u r a l I n d i a i s v e r y l e s s i t i s n o t a n e c o n o m i c a l l y f e a s i b l e s o l u t i o n t o h a v e

w i r e d o r c e l l u l a r n e t w o r k s t i l l s m a l l v i l l a g e s . A t y p i c a l I n d i a n s c e n a r i o i s s h o w n i n F i g u r e

1 . 1 . I n I n d i a , t y p i c a l l y t o w n p l a c e s h a v e F i b e r p o i n t - o f - p r e s e n c e ( P o P ) a n d a r e s e p e r a t e d

b y a d i s t a n c e o f 3 0 - 4 0 K m s . T o w n p l a c e s a r e s u r r o u n d e d b y s m a l l v i l l a g e s w i t h d i s t a n c e

b e t w e e n t h e m a r o u n d 3 - 4 K m s .

T h u s , t h e c o n n e c t i v i t y i s t h e r e t i l l t o w n p l a c e s o r l a r g e r v i l l a g e s . I t i s r e q u i r e d t h a t t h i s

c o n n e c t i v i t y i s e x t e n d e d t i l l s m a l l v i l l a g e s w h i c h a r e s u r r o u n d e d n e a r t h e t o w n p l a c e s . T h i s

p r o b l e m o f e x t e n d i n g c o n n e c t i v i t y f r o m t o w n p l a c e s o r l a r g e r v i l l a g e s t o s m a l l v i l l a g e s i s

o f t e n r e f e r r e d t o a s L a s t M i l e p r o b l e m . T h e r e e x i s t s m a n y t e c h n o l o g i e s / s y s t e m s t o a d d r e s s

l a s t m i l e p r o b l e m . T h e s e a l t e r n a t i v e s a r e d i s c u s s e d i n t h e n e x t s e c t i o n .

1 . 1 . 1 A l t e r n a t i v e s f o r t h e L a s t M i l e

T h e m a j o r c h a l l e n g e i n p r o v i d i n g c o n n e c t i v i t y i n r u r a l I n d i a i s c o s t . A n y s y s t e m / t e c h n o l o g y

f o r p r o v i d i n g c o n n e c t i v i t y i n r u r a l a r e a s , w i l l s u s t a i n o n l y i f i t i s a o r d a b l e t o t h e p e o p l e .

8


14/73

F i g u r e 1 . 1 : T y p i c a l I n d i a n S c e n a r i o s o u r c e : [ 2 5 ]

C o n s i d e r i n g l o w a v e r a g e i n c o m e o f r u r a l p e o p l e w e w i l l h a v e t o c o m e u p w i t h a s y s t e m

t h a t i s c o s t e e c t i v e . T h e d i e r e n t b r o a d b a n d w i r e l e s s t e c h n o l o g i e s t h a t c a n b e c o n s i d e r e d

f o r l a s t m i l e c o n n e c t i v i t y a r e :

C e l l u l a r N e t w o r k s ( 2 G , 3 G ) .

8 0 2 . 1 6 W i M a x

8 0 2 . 1 1 b W i F i

C e l l u l a r t e c h n o l o g i e s a r e f a s t a n d e a s y t o d e p l o y b u t i t s c o s t m a k e s i t u n s u i t a b l e f o r

r u r a l n e t w o r k i n g . T h e p r e s e n t G S M t e c h n o l o g y e v e n t h o u g h c o s t - e e c t i v e d o e s n o t h a v e

l o n g r a n g e a n d t h e b a n d w i d t h i s l i m i t e d . T h e C D M A 1 X s y s t e m i s a b l e t o p r o v i d e i n t e r n e t

a t 1 4 4 k b p s , t h u s i t a l s o f a i l s t o p r o v i d e b r o a d b a n d a c c e s s . T h e 3 G t e c h n o l o g y h a s t h e

a b i l i t y t o p r o v i d e h i g h B W a p p l i c a t i o n s , b u t p r e s e n t l y , i t i s c o s t l y s o l u t i o n f o r r u r a l a r e a s .

W i M a x i s a l o n g r a n g e b r o a d b a n d ( W A N ) t e c h n o l o g y b u t i t i s n o t a n a o r d a b l e s o l u t i o n .

P r o v i d e r s i n f r a s t r u c t u r e r e q u i r e d f o r W i M a x a n d t h e W i M a x t e r m i n a l s a r e e x p e n s i v e .

A s f a r a s W i F i g o e s , i t i s e a s y t o d e p l o y , t h e d e v i c e s c o s t l o w a n d a r e s t a n d a r d i z e d ,

W i F i o p e r a t e s i n l i c e n s e - f r e e I S M b a n d . A l s o r e c e n t d e p l o y m e n t s a n d s t u d y h a v e s h o w n

t h a t W i F i w i t h s o m e e x t e n s i o n c a n p r o v i d e v o i c e s e r v i c e s w h i c h a r e t h e m o s t w i d e l y

u s e d a p p l i c a t i o n s i n t h e r u r a l a r e a . A l l t h e s e f e a t u r e s m a k e W i F i t h e m o s t c o s t - e e c t i v e

s o l u t i o n f o r R u r a l N e t w o r k i n g .

T h e r e a r e m a n y e o r t s [ 2 1 ] [ 1 9 ] [ 2 8 ] [ 1 5 ] [ 1 2 ] i n t h e d i r e c t i o n o f u s i n g W i F i f o r r u r a l

c o n n e c t i v i t y . W e d i s c u s s t h e m b r e i y i n c h a p t e r 2 . A l s o i n t h e n e x t s e c t i o n w e g i v e

9


15/73

W i F i f o r R u r a l E x t e n s i o n ( W i F i R e ) [ 1 7 ] o v e r v i e w , w h i c h i s a s y s t e m d e s i g n e d w i t h a n

a i m o f p r o v i d i n g l o w c o s t c o n n e c t i v i t y i n R u r a l a r e a u s i n g W i F i . I n t h i s p r o j e c t w e h a v e

e x t e n d e d W i F i R e , w h i c h i s s i n g l e h o p s t a r t o p o l o g y , t o m u l t i p l e h o p s a l l e v i a t i n g s o m e o f

i t s d r a w b a c k s .

1 . 2 W i F i R e O v e r v i e w

W i F i R e [ 2 5 ] s t a n d s f o r W i F i f o r R u r a l E x t e n s i o n . W i F i ( I E E E 8 0 2 . 1 1 [ 8 ] ) i s a L A N

t e c h n o l o g y d e s i g n e d f o r s h o r t d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o n . T h e s y s t e m s b a s e d o n W i F i a r e

c o s t - e e c t i v e . B u t b y m a k i n g u s e o f h i g h g a i n d i r e c t i o n a l a n t e n n a s i t i s b e i n g p r a c t i c a l l y

d e m o n s t r a t e d t h a t w e c a n u s e W i F i f o r e s t a b l i s h i n g l o n g d i s t a n c e p o i n t - t o - p o i n t l i n k s

[ 2 1 ] . T h e k e y i d e a i n W i F i R e i s t o u s e l o w c o s t 8 0 2 . 1 1 b P H Y b u t r e p l a c e t h e 8 0 2 . 1 1 b

M A C w i t h s o m e t h i n g m o r e a p p r o p r i a t e f o r l o n g d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o n . W i F i R e M A C

i s s i m i l a r t o I E E E 8 0 2 . 1 6 d [ 9 ] ( W i M a x : W o r l d w i d e I n t e r o p e r a b i l i t y f o r M i c r o w a v e A c c e s s ) .

T h e W i F i R e s y s t e m i s d e s i g n e d w i t h a m o t i v a t i o n t o w a r d s i t s l o w c o s t a p p l i c a t i o n i n r u r a l

I n d i a . I t s g o a l i s t o p r o v i d e l o w c o s t , l o n g d i s t a n c e , b r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o n i n r u r a l

I n d i a .

1 . 2 . 1 A r c h i t e c t u r e

A s s h o w n i n F i g u r e 1 . 2 W i F i R e a r c h i t e c t u r e i s b a s e d o n s t a r n e t w o r k t o p o l o g y , w h e r e

B a s e S t a t i o n ( B S ) i s p r e s e n t a t t h e b e r P o i n t o f P r e s e n c e ( P o P ) a n d S u b s c r i b e r T e r m i n a l

( S T ) i n t h e v i l l a g e s n e a r b y . B S h a s s i x o r t h r e e s e c t o r i z e d a n t e n n a s c o v e r i n g a r e a o f

1 5 - 2 0 k m s . E n d - u s e r s a r e c o n n e c t e d t o S T s w i t h d i e r e n t L A N t e c h n o l o g i e s [ 1 1 ] . S T s

c o m m u n i c a t e w i t h B S t h r o u g h d i r e c t i o n a l a n t e n n a s w h i c h a r e m o u n t e d o n a m a s t o f 1 0 m

h e i g h t . W i F i R e r e q u i r e s l i n e o f s i g h t ( L o S ) c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n S T s a n d B S . A t B S ,

s e c t o r i z e d a n t e n n a s a r e m o u n t e d o n a t r a n s m i s s i o n t o w e r a t a h e i g h t o f 4 0 m t o e n a b l e

L o S c o m m u n i c a t i o n . T h e W i F i R e s y s t e m t y p i c a l l y c o v e r s a c i r c u l a r r e g i o n o f 1 5 k m s t o

2 0 k m s , w h i c h i s r e f e r r e d t o a s c e l l .

I t s l i n k l a y e r i s d e s i g n e d t o p r o v i d e l o n g d i s t a n c e r e l i a b l e c o m m u n i c a t i o n , a n d s u p -

p o r t s s e r v i c e g u a r a n t e e f o r r e a l t i m e a n d n o n - r e a l t i m e a p p l i c a t i o n s . W i F i R e u s e s t i m e

d i v i s i o n d u p l e x m u l t i s e c t o r T D M ( T D D - M S T D M ) M A C . S c h e d u l i n g o f s l o t s i s d o n e s o

a s t o m a x i m i z e s i m u l t a n e o u s t r a n s m i s s i o n i n m u l t i p l e s e c t o r w h i l e k e e p i n g c o - c h a n n e l i n -

t e r f e r e n c e w i t h i n l i m i t . H e r e w e a s s u m e t h a t s c h e d u l i n g i s d o n e i n a R o u n d R o b i n ( R R )

f a s h i o n , w h e r e e a c h s e c t o r i s s c h e d u l e d o n e a f t e r a n o t h e r . F o r e x a m p l e , i n F i g u r e 1 . 2 i n

c a s e o f R R s c h e d u l i n g , S T s i n s e c t o r 1 w i l l g e t s c h e d u l e d r s t , f o l l o w e d b y S T s i n s e c t o r

2 a n d t h e n s e c t o r 3 . T r a n s m i s s i o n s i n t h e o p p o s i t e s e c t o r s c a n b e s c h e d u l e d i n p a r a l l e l ,

h e n c e s e c t o r 1 & s e c t o r 4 ; s e c t o r 2 & s e c t o r 5 ; a n d s e c t o r 3 & s e c t o r 6 w i l l g e t s c h e d u l e d

i n p a r a l l e l .

1 0


16/73

`cBS2

BS1

BS3

BS4

BS5

BS6

15-20 km

sector 1

sector 2

sector 3

sector 4

sector 5

sector 6

ST

ST

ST

2-3km

2-3km

40m

10m

F i g u r e 1 . 2 : W i F i R e A r c h i t e c t u r e . S o u r c e [ 1 6 ]

1 . 2 . 2 F r a m e s t r u c t u r e

I n W i F i R e , b e i n g a T D M A b a s e d s y s t e m , t i m e i s d i v i d e d i n t o f r a m e s a n d f r a m e s a r e

f u r t h e r d i v i d e d i n t o s l o t s . W i F i R e f r a m e s t r u c t u r e i s s h o w n i n F i g u r e 1 . 3 . F r a m e d u r a t i o n

d e p e n d s o n t h e V o I P p a c k e t g e n e r a t i o n p e r i o d a n d s l o t d u r a t i o n d e p e n d s o n t h e V o I P

p a c k e t s i z e . I n [ 2 5 ] , f r a m e d u r a t i o n i s c h o s e n a s 1 0 m s a n d s l o t t i m e i n 3 2

s e c . F i g u r e

1 . 3 s h o w s W i F i R e f r a m e s t r u c t u r e . F r a m e i s p a r t i t i o n e d i n t o d o w n l i n k ( D L ) a n d u p l i n k

( U L ) s e g m e n t s . I n D L s e g m e n t w e h a v e t r a n s m i s s i o n f r o m B S t o S T a n d i n U L s e g e m e n t

t r a n s m i s s i o n t a k e s p l a c e f r o m S T s t o B S . T h e s e s e g m e n t s a r e s e p e r a t a t e d b y a g u a r d b a n d

o f 4 . 5 s l o t s t o a c c o u n t f o r p r o p a g a t i o n d e l a y s a n d t r a n s m i t t e r - r e c e i v e r t u r n a r o u n d . A t

t h e s t a r t o f t h e f r a m e w e h a v e b e a c o n t r a n s m i s s i o n s , w h i c h c o n t a i n s s y s t e m i n f o r m a t i o n ,

c o n t r o l i n f o r m a t i o n a n d D L - M A P , U L - M A P . D L - M A P , U L - M A P s p e c i e s D L a n d U L

s l o t a l l o c a t i o n s r e s p e c t i v e l y .

F i g u r e 1 . 3 : W i F i R e F r a m e . S o u r c e [ 1 7 ]

1 1


17/73

1 . 2 . 3 L i m i t a t i o n s

A s d i s c u s s e d e a r l i e r , W i F i R e a s s u m e s s t a r t o p o l o g y , w h e r e S T s a n d B S c o m m u n i c a t e s o v e r

a s i n g l e h o p l i n k . T h e s i n g l e h o p n a t u r e o f W i F i R e , r e s u l t s i n t o f o l l o w i n g l i m i t a t i o n s :

F i x e d R a n g e :

W i F i R e c e l l c o v e r s a c i r c u l a r r a n g e o f 1 5 - 2 0 K m s i n r a d i u s . T y p i c a l l y t h e d i s t a n c e

b e t w e e n t h e t w o t o w n p l a c e s w i t h F i b e r P o P i s 4 0 - 4 5 K m s , h e n c e l e a v i n g 5 - 1 0 K m s

o f a r e a w i t h n o c o v e r a g e a s s h o w n i n g u r e 1 . 4 .

F i g u r e 1 . 4 : F i x e d R a n g e o f W i F i R e

L i n e o f S i g h t r e q u i r e m e n t :

I n W i F i R e , S T s c o m m u n i c a t e s w i t h B S u s i n g a d i r e c t i o n a l a n t e n n a o v e r a s i n g l e

h o p d i r e c t i o n a l l i n k . T h i s n e e d s L o S c o m m u n i c a t i o n . H e n c e S T w i l l n o t b e a b l e t o

c o m m u n i c a t e w i t h B S , i f a n o b s t a c l e i s p r e s e n t a s s h o w n i n g u r e 1 . 5

F i g u r e 1 . 5 : L i n e o f S i g h t R e q u i r e m e n t o f W i F i R e

1 . 3 P r o b l e m S t a t e m e n t

A s d i s c u s s e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n , t h e s i n g l e h o p n a t u r e o f W i F i R e r e s u l t s i n t o f o l l o w i n g

d r a w b a c k s :

1 2


18/73

F i x e d R a n g e

L i n e o f S i g h t r e q u i r e m e n t

T h e m a i n a i m o f t h i s p r o j e c t i s t o o v e r c o m e t h e s e d r a w b a c k s b y e x t e n d i n g t h e W i F i R e

a r c h i t e c t u r e t o m u l t i p l e h o p s . T h e f o r m a l p r o b l e m d e n i t i o n o f o u r p r o j e c t i s :

T o D e s i g n a c o s t - e e c t i v e m u l t i - h o p W i F i R e s y s t e m w h i c h o p e r a t e s o v e r a s i n g l e w i r e -

l e s s c h a n n e l a n d a l l e v i a t e s t h e d r a w b a c k s o f W i F i R e s y s t e m

T h i s w i l l i n v o l v e :

D e t e r m i n i n g t h e A r c h i t e c t u r e o f t h e m u l t i - h o p s y s t e m :

T h e r e w i l l b e v a r i o u s p o s s i b l e a l t e r n a t i v e s t o e x t e n d t h e W i F i R e t o m u l t i p l e h o p s .

W e w i l l h a v e t o l o o k a t t h e s e a l t e r n a t i v e s a n d s e l e c t t h e a r c h i t e c t u r e w h i c h b e s t

s u i t s o u r r e q u i r e m e n t s .

C o s t A n a l y s i s o f t h e s y s t e m :

F o r a n y s y s t e m t o b e i m p l e m e n t e d i n r u r a l I n d i a , i t n e e d s t o b e C o s t e e c t i v e .

H e n c e , w e w i l l h a v e t o p e r f o r m t h e c o s t a n a l y s i s o f t h e s y s t e m , w h i c h w i l l i n v o l v e

d e t e r m i n i n g t h e b e s t c a s e a n d w o r s t c a s e c o s t o f t h e s y s t e m . E x p e c t e d c o s t p e r

v i l l a g e . P e r f o r m i n g c o s t o p t i m i z a t i o n e t c .

M A C P r o t o c o l d e t a i l s o f t h e s y s t e m :

W e w i l l h a v e t o d e t e r m i n e t h e s t r u c t u r e o f t h e f r a m e , s i m i l a r t o W i F i R e , f o r t h e

m u l t i - h o p s y s t e m . T h e n w e w i l l h a v e t o g i v e s c h e d u l i n g m e c h a n i s m w h i c h i s a b l e t o

m e e t t h e Q o S r e q u i r m e n t s o f t h e t r a c u n d e r c o n s i d e r a t i o n . A l s o w e w i l l h a v e t o

e x p l a i n t h e v a r i o u s s t e p s i n v o l v e d i n M A C p r o t o c o l , s t a r t i n g f r o m t h e r e g i s t r a t i o n

o f t h e S T t o t e r m i n a t i o n o f t h e c a l l .

A n a l y s i s o f t h e s y s t e m :

A t t h e e n d w e w i l l h a v e t o p r e s e n t t h e p e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f t h e m u l t i - h o p W i F i R e

s y s t e m t o s h o w t h a t m u l t i - h o p e x t e n s i o n i s f e a s i b l e & p r a c t i c a l a n d t o a n s w e r s o m e o f

t h e i m p o r a t a n t q u e s t i o n s l i k e n u m b e r o f V o I P c a l l s s u p p o r t e d p e r v i l l a g e , A m o u n t

o f e x t e n s i o n p o s s i b l e o v e r W i F i R e . P e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f d i e r e n t s c h e d u l i n g

s c h e m e s e t c .

1 . 4 P r o j e c t C o n t r i b u t i o n s

C o n t r i b u t i o n s o f o u r p r o j e c t a r e :

C o m p a r i s o n o f v a r i o u s m u l t i - h o p W i F i R e a r c h i t e c t u r e s .

C o s t a n a l y s i s o f t h e m u l t i - h o p W i F i R e s y s t e m .

1 3


19/73

D e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e m u l t i - h o p W i F i R e a r c h i t e c t u r e a n d M A C p r o t o c o l .

T h r e e d i e r e n t s c h e d u l i n g t e c h n i q u e s f o r t h e m u l t i - h o p W i F i R e a n d i t s c o m p a r a t i v e

a n a l y s i s .

A t o o l t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a c e o f m u l t i - h o p W i F i R e s y s t e m u n d e r d i e r e n t c o n -

d i t i o n s .

1 . 5 T h e s i s O r g a n i z a t i o n

T h e r e m a i n i n g o f t h e t h e s i s i s o r g a n i s e d a s f o l l o w s . I n c h a p t e r 2 , w e w i l l d e s c r i b e s o m e o f

t h e p r e v i o u s w o r k d o n e i n t h e a r e a r e l a t e d t o l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s n e t w o r k s . I n c h a p t e r

3 , w e w i l l d e s c r i b e d i e r e n t a r c h i t e c t u r e s t h a t w e c o n s i d e r e d a s a n o p t i o n f o r t h e m u l t i -

h o p e x t e n s i o n t o t h e W i F i R e . I n c h a p t e r 4 , w e p e r f o r m c o s t a n a l y s i s f o r t h e t w o m o s t

a p p r o p r i a t e a r c h i t e c t u r e s t o s e l e c t t h e b e s t a r c h i t e c t u r e f o r t h e d e t a i l e d s t u d y . I n c h a p t e r

5 , w e w i l l d e s c r i b e t h e m u l t i - h o p W i F i R e a r c h i t e c t u r e i n m o r e d e t a i l . I n c h a p t e r 6 , w e

d e s c r i b e t h e v a r i o u s s t e p s i n v o l v e d i n M A C p r o t o c o l i n d e t a i l . I n c h a p t e r 8 , w e w i l l d i s c u s s

t h r e e d i e r e n t s c h d u l i n g s c h e m e s a n d w i l l p r e s e n t c o m p a r a t i v e a n a l y s i s f o r t h e s a m e .

1 4


20/73

C h a p t e r 2

R e l a t e d W o r k

T h e r e i s l o t o f w o r k a l r e a d y p u b l i s h e d i n t h e a r e a o f m u l t i h o p w i r e l e s s n e t w o r k s a n d l o n g

d i s t a n c e n e t w o r k s . T h e r e a r e m a n y i m p l e m e n t a t i o n s o f W i r e l e s s C o m m u n i t y N e t w o r k a l l

o v e r t h e w o r l d . I n t h i s c h a p t e r w e d i s c u s s s o m e o f t h e s i g n i c a n t w o r k d o n e i n t h i s a r e a .

2 . 1 M u l t i h o p C e l l u l a r N e t w o r k

Y i n g - D a r L i n e t a l [ 1 8 ] p r o v i d e s a n e w a r c h i t e c t u r e , M u l t i h o p C e l l u l a r N e t w o r k ( M C N ) ,

f o r w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n . T h i s w o r k i s a m o n g t h e r s t f e w w o r k d o n e i n t h e a r e a o f

m u l t i h o p c o m m u n i c a t i o n o v e r 8 0 2 . 1 1 w i r e l e s s n e t w o r k s . T h e a r c h i t e c t u r e t r i e s t o c o m b i n e

t h e f e a t u r e s o f c o n v e n t i o n a l s i n g l e h o p c e l l u l a r n e t w o r k a n d a d h o c n e t w o r k .

I n M C N , u n l i k e S i n g l e h o p c e l l u l a r n e t w o r k ( S C N ) m o b i l e s t a t i o n ( M S ) c a n c o m m u n i c a t e

w i t h e a c h o t h e r d i r e c t l y . I f t h e s o u r c e a n d d e s t i n a t i o n a r e i n t h e s a m e c e l l , o t h e r m o b i l e

s t a t i o n s c a n b e u s e d t o r e l a y p a c k e t s t o t h e d e s t i n a t i o n , f o l l o w i n g a m u l t i - h o p p a t h . I f

s o u r c e a n d d e s t i n a t i o n a r e n o t i n t h e s a m e c e l l t h e n t h e p a c k e t i s r s t s e n d t o t h e b a s e

s t a t i o n ( B S ) , p r o b a b l y t h r o u g h i n t e r m e d i a t e m o b i l e s t a t i o n a n d t h e n t h e b a s e s t a t i o n

f o r w a r d s i t t o t h e B S o f t h e c e l l w h e r e d e s t i n a t i o n r e s i d e s . P a c k e t s a r e t h e n f o r w a r d e d

t o t h e d e s t i n a t i o n M S e i t h e r d i r e c t l y o r t h r o u g h m u l t i - h o p p a t h w i t h i n t e r m e d i a t e M S

r o u t i n g t h e p a c k e t t o t h e d e s t i n a t i o n .

M C N p r o v i d e s b e t t e r c h a n n e l u t i l i z a t i o n , h i g h t h r o u g h p u t a n d r a n g e c o m p a r e d t o

S C N . B u t t r a n s m i s s i o n s a r e o m n i - d i r e c t i o n a l i n n a t u r e a n d u s e C S M A / C A w i t h R T S -

C T S , w h i c h i s n o t s u i t a b l e f o r l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s n e t w o r k s . [ 1 0 ]

2 . 2 2 P M A C P r o t o c o l

B h a s k a r e t a l [ 2 4 ] p r o v i d e s a n e w M A C p r o t o c o l 2 P , f o r l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s n e t w o r k s a s

C S M A / C A i s n o t s u i t a b l e f o r i t . 2 P M A C i s a T D M A - s t y l e p r o t o c o l f o r m e s h n e t w o r k s .

E v e n w i t h t h e d i r e c t i o n a l a n t e n n a s , a n o d e c a n n o t r e c e i v e a n d t r a n s m i t s i m u l t a n e o u s l y ,

s i n c e r e c e p t i o n w i l l f a c e i n t e r f e r e n c e f r o m t h e t r a n s m i t t i n g r a d i o a t t h a t n o d e . T h i s i s

1 5


21/73

r e f e r r e d t o a s M i x - T x - R x [ 2 2 ] . T h u s t h e r e i s n e e d o f s y n c h r o n o u s o p e r a t i o n w h e r e t h e l i n k s

a t t h e n o d e a r e a l l t r a n s m i t t i n g ( S y n T x ) o r a l l r e c e i v i n g . ( S y n R x ) . I n t h e 2 P p r o t o c o l ,

e a c h n o d e i n t h e n e t w o r k s i m p l y s w i t c h e s b e t w e e n t h e s e t w o p h a s e s . W h e n a n o d e i s

i n S y n T x , i t s n e i g h b o r s a r e i n S y n R x , a n d v i c e - v e r s a . T h u s i n 2 P w e c a n h a v e 1 0 0 %

u t i l i z a t i o n o f t h e l i n k , a s t h e l i n k i s a l w a y s a c t i v e i n o n e d i r e c t i o n .

I n r u r a l s c e n a r i o , t h e m a j o r t r a c i s e x p e c t e d t o b e g e n e r a t e d b y r e a l t i m e a p p l i c a t i o n s

l i k e V o I P a n d i n t e r a c t i v e v i d e o s . E s p e c i a l l y V o I P i s g o i n g t o b e t h e m a j o r s o u r c e o f

r e v e n u e . B u t t h e p a p e r [ 2 4 ] h a s n o t m e n t i o n e d a n y t h i n g a b o u t t i m e s l o t s c h e d u l i n g a n d

c h a n n e l a l l o c a t i o n . H e n c e n o a n a l y s i s f o r t h e s u p p o r t o f Q o S f o r d i e r e n t t y p e s o f r e a l

t i m e t r a c l i k e V o I P c a l l s , i n t e r a c t i v e v i d e o s e t c . i s g i v e n . 2 P n e e d s t h e u n d e r l y i n g

n e t w o r k t o p o l o g y t o b e b i p a r t i t e a n d m a j o r o f t h e t r a c w i l l b e b e t w e e n n o d e s a n d t h e

l a n d l i n e n o d e . H e n c e , t y p i c a l l y t h e r e s u l t a n t t o p o l o g y w i l l b e t r e e r o o t e d a t l a n d l i n e

n o d e . N o w , c o n s i d e r i n g I n d i a n r u r a l s c e n a r i o [ 2 5 ] w h e r e w e h a v e t o w n p l a c e s ( l a n d l i n e

n o d e s ) w i t h b e r p o i n t o f p r e s e n c e a t a d i s t a n c e o f 3 0 - 4 0 K m s s u r r o u n d e d b y v i l l a g e s ,

w i t h v i l l a g e s s e p a r a t e d f r o m e a c h o t h e r b y a d i s t a n c e o f 3 - 4 K m s , t h e n e t w o r k t o p o l o g y

w i l l b e a t r e e w i t h l a r g e n u m b e r o f h o p s . A t e v e r y h o p , t h e r e w i l l b e s o m e q u e u i n g a n d

p r o c e s s i n g d e l a y . H e n c e w i t h a l a r g e n u m b e r o f h o p s i t w i l l b e d i c u l t t o s u p p o r t t h e Q o S

r e q u i r e d f o r t h e V o I P a n d i n t e r a c t i v e v i d e o t r a c . A l s o f o r a n y a r c h i t e c t u r e / t e c h n o l o g y

t o b e s u c c e s s f u l i n r u r a l s c e n a r i o i t s h o u l d b e c o s t e e c t i v e . B u t n o c o s t i n g a n a l y s i s i s

p r o v i d e d i n t h e p a p e r . T h u s i n s u m m a r y , [ 2 4 ] l a c k s n e t w o r k p e r f o r m a n c e a n a l y s i s a n d

n e t w o r k i n f r a s t r u c t u r e p l a n n i n g .

2 . 3 C o s t O p t i m i z e d t o p o l o g y C o n s t r u c t i o n

P a r t h a D u t t a e t a l [ 1 5 ] p r e s e n t V i l l a g e N e t , w h i c h i s a w i r e l e s s m e s h n e t w o r k t h a t a i m s

t o p r o v i d e l o w - c o s t b r o a d b a n d I n t e r n e t a c c e s s f o r r u r a l r e g i o n s . T h e p a p e r f o r m a l l y

s t a t e s r o u t i n g a n d c h a n n e l a l l o c a t i o n p r o b l e m , a n d c o s t o p t i m i z e d t o p o l o g y c o n s t r u c t i o n

p r o b l e m f o r l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s m e s h n e t w o r k s t h a t u s e s 2 P M A C p r o t o c o l [ 2 4 ] . P a p e r

a l s o p r o v e s t h a t O p t i m i z e d t o p o l o g y c o n s t r u c t i o n p r o b l e m i n N P - h a r d . T h u s p a p e r t r i e s

t o l l t h e v o i d o f [ 2 4 ] , w h e r e n o c o s t i n g a n a l y s i s i s g i v e n .

B u t a s d e s c r i b e d e a r l i e r , i n I n d i a n s c e n a r i o a m e s h n e t w o r k w i l l r e s u l t i n t o a n e t w o r k

t o p o l o g y w i t h l a r g e n u m b e r o f h o p s , m a k i n g i t d i c u l t t o s u p p o r t t h e Q o S r e q u i r e d f o r

t h e r e a l t i m e t r a c l i k e V o I P a n d i n t e r a c t i v e v i d e o s . A l s o t h e p a p e r h a s n o t g i v e n a n y

p e r f o r m a n c e a n a l y s i s f o r t h e l o n g d i s t a n c e n e t w o r k . T h e a u t h o r s h a v e c o n t i n u e d t h e i r

w o r k i n [ 1 4 ] , w h e r e t h e y p r e s e n t r s t a p p r o x i m a t i o n a l g o r i t h m w i t h t i m e c o m p l e x i t y o f

O ( l o g n ) t o s o l v e t h e o p t i m i z e d t o p o l o g y c o n s t r u c t i o n p r o b l e m .

I n o t h e r l i t e r a t u r e r e a l t e d t o c o s t o p t i m i z a t i o n S a y a n d e e p S e n e t a l [ 2 6 ] h a v e f o r -

m u l a t e d n e t w o r k p l a n n i n g p r o b l e m i n t e r m s o f v a r i a b l e s , c o n s t r a i n t s a n d o p t i m i z a t i o n

c r i t e r i a . C o n s t r a i n t s c o n s i d e r e d a r e t h r o u g h p u t , p o w e r a n d i n t e r f e r e n c e . V a r i a b l e s t o d e -

t e r m i n e d a r e n e t w o r k t o p o l o g y , t o w e r h e i g h t s , a n t e n n a s t y p e s & o r i e n t a t i o n a n d t r a n s m i t

1 6


22/73

p o w e r . O b j e c t i v e i s t o o p t i m i z e t o w e r c o s t . T h e y h a v e c o n s i d e r e d t h i s p r o b l e m o n l y f o r

t w o h o p s t r e e s . A u t h o r s c o n s i d e r t h r o u g h p u t a s c o n s t r a i n t i n t h e p r o b l e m , b u t f o r r e a l

t i m e t r a c d e l a y a n d j i t t e r p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e b u t n o a n a l y s i s f o r t h e s a m e i s g i v e n .

T h i s m a y b e b e c a u s e , a u t h o r s h a v e n o t c o n s i d e r e d a n y f r a m e s t r u c t u r e a n d t i m e s l o t &

c h a n n e l a l l o c a t i o n s c h e m e .

T h u s w o r k i n [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 2 6 ] i s f o c u s s e d o n c o s t o p t i m i z a t i o n a n d h a v e n o t p r o v i d e d a n y

p e r f o r m a n c e a n a l y s i s . A l s o n o a n a l y s i s i s p r o v i d e d t o s h o w v a r i a t i o n i n c o s t o f t h e s y s t e m

u n d e r d i e r e n t s c e n a r i o . W o r s t a n d t h e b e s t c a s e f o r t h e n e t w o r k c o s t . W h a t w i l l b e t h e

e s t i m a t e d c o s t p e r v i l l a g e e t c . S u c h d e t a i l e d a n a l y s i s r e l a t e d t o c o s t i s n o t c o v e r e d i n t h e

a b o v e p u b l i s h e d l i t e r a t u r e .

2 . 4 W i L D N e t

R a b i n P a t r a e t . a l [ 1 9 ] p r e s e n t d e s i g n , i m p l e m e n t a t i o n a n d e v a l u a t i o n o f W i l d N e t , a

s y s t e m t h a t a d d r e s s f o l l o w i n g p r o b l e m s i n W i F i - b a s e d L o n g D i s t a n c e ( W i L D ) n e t w o r k s :

S h o r t c o m i n g s o f 8 0 2 . 1 1 p r o t o c o l w h i c h i n v o l v e s i n a p p r o p r i a t e n e s s o f C S M A / C A f o r

l o n g d i s t a n c e , 8 0 2 . 1 1 l i n k - l e v e l r e c o v e r y m e c h a n i s m t h a t r e s u l t s i n l o w u t i l i z a t i o n

a n d i n t e r - l i n k i n t e r f e r e n c e .

H i g h a n d v a r i a b l e l o s s r a t e s i n t h e u n d e r l y i n g c h a n n e l d u e t o e x t e r n a l f a c t o r s .

A u t h o r s g i v e a b e t t e r i m p l i c i t s y n c h r o n i z a t i o n m e t h o d t h a t p r o v i d e s i m p r o v e m e n t o v e r 2 P

i n c a s e o f l o s s y e n v i r o n m e n t . U n l i k e [ 2 4 ] t h e p a p e r g i v e s t h r o u g h p u t a n d d e l a y a n a l y s i s b u t

d e l a y a n a l y s i s i s d o n e o n l y f o r s i n g l e p o i n t - t o - p o i n t l o n g d i s t a n c e l i n k . N o a n a l y s i s i s g i v e n

f o r e n d - t o - e n d d e l a y o v e r m u l t i p l e h o p s . D e t a i l e d f r a m e s t r u c t u r e i s m i s s i n g . A n o t h e r

i m p o r t a n t p a r a m e t e r t o d e t e r m i n e t h e u t i l i t y o f t h e s y s t e m i n r u r a l a r e a i s m a x i m u m

n u m b e r o f V o I P c a l l s s u p p o r t e d . B u t n o a n a l y s i s i s p r o v i d e d i n t h i s r e s p e c t . A l s o a u t h o r s

h a v e n o t d o n e a n y a n a l y s i s o n t h e b u d g e t i n g o f t h e s y s t e m .

2 . 5 C o m m u n i t y N e t w o r k i n N e t h e r l a n d

R u d i V a n D r u n e n e t a l [ 2 8 ] h a v e d e p l o y e d W i r e l e s s C o m m u n i t y N e t w o r k ( W C N ) i n

N e t h e r l a n d s . T h e d e p l o y m e n t i s d i e r e n t f r o m D G P a n d A s h w i n i [ 2 3 ] a s i t c o v e r s d e n s e l y

p o p u l a t e d b u t s m a l l a r e a . I t s s p a n i s o n l y a b o u t 2 5 Km2

. I t u s e s 8 0 2 . 1 1 b , h e n c e

C S M A / C A M A C w h i c h i s n o t s u i t a b l e f o r l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s l i n k s . A u t h o r s h a v e

m a i n l y d i s c u s s e d t h e d e p l o y m e n t a n d i s s u e s i n i t a n d h a v e n o t p r o v i d e d t h e p e r f o r m a n c e

a n a l y s i s o f t h e n e t w o r k . E v e n t h o u g h a u t h o r s h a v e m e n t i o n e d t h a t v a r i o u s b a n d w i d t h

a n d d e l a y c o n s t r a i n t a p p l i c a t i o n s l i k e v i d e o s e r v e r a n d g a m i n g a p p l i c a t i o n s a r e s u p p o r t e d

b u t h a v e n o t p r o v i d e d w i t h t h e p e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f t h e s e a p p l i c a t i o n s .

1 7


23/73

2 . 6 F R A C T E L

F r a c t e l [ 1 2 ] c o n s i d e r s r u r a l w i r e l e s s n e t w o r k h a v i n g a c o m b i n a t i o n o f a ) L o n g d i s t a n c e

l i n k s , u p t o f e w k i l o m e t e r s b ) L o c a l a c c e s s l i n k s u p t o 5 0 0 m t s . L o n g d i s t a n c e l i n k s e x t e n d s

c o n n e c t i v i t y f r o m a p o i n t o f w i r e d c o n n e c t i v i t y t o a s p e c i c p o i n t i n e a c h v i l l a g e a n d l o c a l

a c c e s s l i n k s e x t e n d s c o n n e c t i v i t y f r o m t h i s p o i n t t o m u l t i p l e n e a r b y l o c a t i o n s . U n l i k e

[ 2 4 ] [ 1 9 ] [ 1 5 ] [ 2 6 ] , [ 1 2 ] g i v e s s l o t a n d c h a n n e l a l l o c a t i o n a l g o r i t h m . B u t t h e a l g o r i t h m n e e d s

m u l t i p l e c h a n n e l s a n d i s a p p l i c a b l e o n l y f o r t w o h o p t r e e s . A u t h o r s h a v e n o t p r e s e n t e d

a n y a n a l y s i s f o r d e l a y , t h r o u g h p u t , m a x i m u m n u m b e r o f h o p s a n d c o n n e c t i o n s s u p p o r t e d

f o r d i e r e n t r e a l t i m e t r a c . A l s o t h e c o s t a n a l y s i s o f t h e s y s t e m i s n o t d o n e .

T h u s w e s e e t h a t m o s t o f t h e l i t e r a t u r e p u b l i s h e d t i l l n o w l a c k s d e t a i l e d a n a l y s i s f o r

t h e V o I P t r a c , w h i c h i s e x p e c t e d t o b e t h e d o m i n a n t i n c a s e o f r u r a l s c e n a r i o . T h i s i s

m a i n l y b e c a u s e , m o s t o f t h e s y s t e m l a c k d e t a i l e d e x p l a n a t i o n o f t h e M A C p r o t o c o l . N o

s y s t e m h a s p r o v i d e d t h e d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e f r a m e s t r u c t u r e a n d c h a n n e l & s l o t

a l l o c a t i o n . S i m i l a r l y w e h a v e s o m e w o r k d o n e w . r . t . o p t i m i z e d t o p o l o g y c o n s t r u c t i o n

p r o b l e m . B u t s t i l l t h e d e t a i l e d c o s t a n a l y s i s i s l a c k i n g . Q u e s t i o n s l i k e h o w c o s t w i l l v a r y

u n d e r d i e r e n t s c e n a r i o s , w h a t s t h e b e s t c a s e a n d w o r s t c a s e o f t h e c o s t o f t h e s y s t e m ,

w h a t s t h e a p p r o x i m a t e c o s t p e r v i l l a g e , h o w c o s t v a r i e s w i t h t h e c o v e r a g e e t c . a r e n o t y e t

a n s w e r e d .

2 . 7 A p p l i c a t i o n s i n I n d i a

I n t h i s s e c t i o n w e w i l l p r e s e n t s o m e o f t h e a p p l i c a t i o n s o f W i F i b a s e d l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s

n e t w o r k s i n I n d i a . T h e r e a r e f e w w i r e l e s s c o m m u n i t y n e t w o r k s b e i n g d e p l o y e d t o p r o v i d e

v a r i o u s s e r v i c e s m a i n l y t o t h e r u r a l c o m m u n i t y o f I n d i a .

2 . 7 . 1 D a k N e t

D a k N e t [ 2 0 ] i s a c o m m e r c i a l w i r e l e s s a d h o c n e t w o r k , d e v e l o p e d b y M I T M e d i a L a b t h a t

p r o v i d e s a s y n c h r o n o u s d i g i t a l c o n n e c t i v i t y . D a k N e t h a s b e e n s u c c e s s f u l l y d e p l o y e d i n

r e m o t e p a r t s o f I n d i a a n d C a m b o d i a . D a k N e t o p e r a t i o n i n v o l v e s t w o s t e p s . F i r s t , a v e h i c l e

e q u i p p e d w i t h M o b i l e A c c e s s P o i n t ( M A P ) c o m e s i n t h e r a n g e o f W i F i e q u i p p e d v i l l a g e

k i o s k . K i o s k u p l o a d s a n d d o w n l o a d s t h e r e q u i r e d d a t a . S e c o n d , w h e n M A P e q u i p p e d

v e h i c l e c o m e s i n t h e r a n g e o f a n I n t e r n e t a c c e s s p o i n t , i t a u t o m a t i c a l l y s y n c h r o n i z e s t h e

d a t a f r o m a l l t h e r u r a l k i o s k s , u s i n g t h e I n t e r n e t . D a k N e t i s p r o v i d i n g e - s e r v i c e s l i k e

e - m a i l a n d v o i c e m a i l i n v i l l a g e s .

2 . 7 . 2 A k s h a y N e t w o r k

P r o j e c t A k s h a y [ 1 ] i s i m p l e m e n t e d i n K e r a l a t o b r i d g e t h e d i g i t a l d i v i d e i n t h e s t a t e . I t s

i m p l e m e n t e d o n a p i l o t b a s i s i n M a l a p p u r a m . A k s h a y N e t w o r k i s b a s e d o n W i r e l e s s

1 8


24/73

T e c h n o l o g i e s a n d c o v e r s a n a r e a o f 3 , 5 0 0 + s q . k m s i n M a l a p p u r a m . A k s h a y n e t w o r k

c o n s i s t s o f t w o p a r t s . F i r s t , B a c k b o n e N e t w o r k w h o s e t h r o u g h p u t s t a r t s a t 8 M B P S a n d

a d d i t i o n a l b a c k b o n e s c a n b e a d d e d f o r g r e a t e r b a n d w i d t h . S e c o n d , A c c e s s N e t w o r k w h i c h

p r o v i d e s c o n n e c t i v i t y f r o m b a c k b o n e n e t w o r k t o t h e s u b s c r i b e r s . P o i n t t o m u l t i p o i n t

r a d i o s a r e u s e d , w i t h l a s t m i l e B W o f 4 M B P S s h a r e d b e t w e e n s u b s c r i b e r s . T h e n e t w o r k

s u p p o r t s f o l l o w i n g I n t e r n e t s e r v i c e s :

B r o a d b a n d I n t e r n e t B r o w s i n g .

V o i c e S e r v i c e s

V i d e o S t r e a m i n g : S u p p o r t s i n i t i a t i v e s l i k e e - l e a r n i n g , e - h e a l t h , e - g o v e r n a n c e .

A p a r t f r o m t h e I n t e r n e t b a s e d s e r v i c e s , t h e n e t w o r k i s a l s o u s e d f o r o e r i n g a n u m b e r o f

I n t r a n e t - b a s e d s o l u t i o n s , e s p e c i a l l y i n t h e e d u c a t i o n s e c t o r . M a n y p r o g r a m m e s i n c l u d i n g

l o c a l e v e n t s , s c h o o l f e s t i v a l s e t c a r e b r o a d c a s t i n g t h r o u g h A k s h a y a n e t w o r k . T u i t i o n s f o r

P u b l i c S e r v i c e E x a m i n a t i o n s a r e a l s o o e r e d t h r o u g h t h e i n t r a n e t s o l u t i o n

2 . 7 . 3 A r v i n d E y e W i r e l e s s

I n t e l a n d T I E R g r o u p f r o m U C B e r k e l e y h a s d e p l o y e d a l o n g d i s t a n c e W i F i b a s e d n e t w o r k

i n s o u t h e r n p a r t o f I n d i a . T h e n e t w o r k c o n n e c t s t h e r e m o t e c e n t e r s o f A r v i n d e y e h o s p i t a l s

t o t h e m a i n h o s p i t a l u s i n g W i F i b a s e d l o n g l i n k s . T h e n e t w o r k u s e s r e l a y p o i n t s t o c o n n e c t

d i s t a n t p l a c e s w h i c h c a n n o t b e c o n n e c t e d b y a s i n g l e p o i n t t o p o i n t l i n k . T h e n e t w o r k

a l l o w s p a t i e n t s i n t h e r e m o t e c e n t e r t o c o n s u l t w i t h t h e d o c t o r s i t t i n g i n t h e m a i n h o s p i t a l ,

w i t h o u t a c t u a l l y v i s i t i n g t h e h o s p i t a l . D e p l o y m e n t i s b e i n g u s e d o n d a y - t o - d a y b a s i s .

1 9


25/73

C h a p t e r 3

A r c h i t e c t u r e s f o r M H - W i F i R e

T h i s c h a p t e r s t a r t s w i t h t h e r e q u i r e m e n t s f o r a G o o d M u l t i - h o p W i F i R e a r c h i t e c t u r e .

T h e n i t d i s c u s s e s f o u r p o s s i b l e a r c h i t e c t u r e s c o n s i d e r e d i n t h i s p r o j e c t f o r M u l t i - h o p e x -

t e n s i o n . T h e c h a p t e r c o n c l u d e s w i t h t h e c o m p a r i s o n o f t h e s e a r c h i t e c t u r e s w h i c h h e l p s i n

d e t e r m i n i n g t h e p r o s a n d c o n s o f t h e a r c h i t e c t u r e s .

3 . 1 R e q u i r e m e n t s o f a G o o d A r c h i t e c t u r e

T h i s s e c t i o n d e s c r i b e s t h e r e q u i r e m e n t s o f a G o o d M H - W i F i R e A r c h i t e c t u r e . A g o o d

M H - W i F i R e a r c h i t e c t u r e s h o u l d m e e t f o l l o w i n g r e q u i r e m e n t s :

1 . O v e r c o m e d r a w b a c k s o f W i F i R e :

T h e M u l t i h o p a r c h i t e c t u r e s h o u l d o v e r c o m e t h e L i n e o f S i g h t r e q u i r e m e n t a n d F i x e d

R a n g e d r a w b a c k s o f W i F i R e .

2 . C o s t E e c t i v e :

A n y s o l u t i o n t o b e e e c t i v e i n R u r a l I n d i a n e e d s t o b e c o s t e c i e n t . H e n c e m u l t i h o p

e x t e n s i o n t o t h e W i F i R e s h o u l d n o t c o m e a t h i g h c o s t a s i t w i l l n o t b e a o r d a b l e

t o t h e r u r a l c o m m u n i t y .

3 . M e e t Q o S r e q u i r e m e n t s :

T h e a r c h i t e c t u r e s h o u l d m e e t t h e Q o S r e q u i r e m e n t s o f a l l t h e t r a c t h a t i s e x p e c t e d

o n t h e n e t w o r k s . P r e s e n t l y , o n l y V o I P t r a c i s c o n s i d e r e d .

4 . M o r e n u m b e r o f V o I P c a l l s p e r V i l l a g e :

T h e a r c h i t e c t u r e s h o u l d n o t h a v e m o r e o v e r h e a d a n d s h o u l d t r y t o u s e t h e a v a i l a b l e

b a n d w i d t h t o t h e m a x i m u m . S i n c e h e r e w e c o n s i d e r o n l y V o I P t r a c t h e a r c h i t e c -

t u r e s h o u l d s u p p o r t m a x i m u m n u m b e r o f V o I P c a l l s p e r v i l l a g e .

5 . M i n i m u m C h a n g e s i n W i F i R e :

T h e m u l t i h o p e x t e n s i o n s h o u l d r e q u i r e n o o r v e r y l e s s m o d i c a t i o n t o t h e o r i g i n a l

2 0


26/73

W i F i R e s y s t e m . T h e a r c h i t e c t u r e a n d M A C o f o r i g i n a l W i F i R e s h o u l d b e m a i n -

t a i n e d .

3 . 2 T h r e e H o p A r c h i t e c t u r e

T h r e e h o p a r c h i t e c t u r e h a v e o n e o r m o r e c o m p l e t e W i F i R e c e l l s i n t h e E x t e n d e d s y s t e m .

E a c h W i F i R e c e l l h a s i t s o w n S y s t e m S ' w h i c h c o n t r o l s t h e a c t i v i t i e s w i t h i n i t s c e l l .

T h e S T s i n t h e E x t e n d e d W i F i R e c e l l s e n d d a t a t o i t s c o r r e s p o n d i n g s e c o n d a r y S y s t e m

w h i c h f o r w a r d s i t t o t h e p r i m a r y c e l l . T h e s e c o n d a r y s y s t e m c o m m u n i c a t e s t o t h e p r i m a r y

s y s t e m t h r o u g h a c o m m o n S T w h i c h l i e s i n t h e r a n g e o f b o t h p r i m a r y a s w e l l a s E x t e n d e d

c e l l . T h i s S T i s r e f e r r e d t o a s r e l a y S T . T h e a r c h i t e c t u r e w i t h o n e E x t e n d e d W i F i R e c e l l

i s s h o w n i n g u r e . 3 . 1

F i g u r e 3 . 1 : T h r e e H o p A r c h i T h i s s e c t i o n d e s c r i b e s p r o j e c t s t h a t r e p l a c e 8 0 2 . 1 1 M A C w i t h

m o r e e c i e n t t e c t u r e

T h u s t h e i n f r a s t r u t u r a l r e q u i r e m e n t s f o r e a c h e x t e n d e d c e l l a r e :

O n e 4 0 m t r t o w e r a t t h e S y s t e m .

S i x s e c t o r a n t e n n a s , o n e f o r e a c h s e c t o r .

M a s t a n d d i r e c t i o n a l a n t e n n a a t e a c h s e c o n d a r y S T .

T h u s i n f r a s t r u c t u r e w i s e i t i s a s c o s t l y a s t h e o r i g i n a l W i F i R e c e l l . T h e a d v a n t a g e o f

t h i s a r c h i t e c t u r e i s t h e h u g e c o v e r a g e a r e a . W e c a n h a v e o n e E x t e n d e d c e l l f o r e a c h o f

t h e p r i m a r y s e c t o r . T h e s e e x t e n d e d c e l l s m i g h t o v e r l a p d e p e n d i n g u p o n t h e i r s i z e a n d

p l a c e m e n t s . A s s u m i n g e a c h c e l l m a k e u s e o f s a m e f r e q u e n c y w e w i l l h a v e t o c o m e u p w i t h

a g l o b a l s c h e d u l i n g o f s e c t o r s , s o t h a t n o t w o o v e r l a p p i n g s e c t o r s t r a n s m i t s a t t h e s a m e

t i m e , m a k i n g t h e s y s t e m m o r e c o m p l e x .

2 1


27/73

3 . 3 T w o H o p A r c h i t e c t u r e

I n t h i s a r c h i t e c t u r e , l i k e T h r e e h o p a r c h i t e c t u r e w e c a n h a v e o n e o r m o r e W i F i R e c e l l s i n

t h e s e c o n d a r y s y s t e m . T h e d i e r e n c e i n t h e t w o s y s t e m s i s t h a t , p r i m a r y s y s t e m a n d t h e

s e c o n d a r y s y s t e m c o m m u n i c a t e s d i r e c t l y o v e r a p o i n t - t o - p o i n t w i r e l e s s l i n k . T h e r e i s n o

r e l a y S T i n b e t w e e n . A n o t h e r d i e r e n c e i s i n t h e s i z e o f t h e c e l l . T h e a r c h i t e c t u r e w i l l

h a v e s m a l l W i F i R e c e l l s b e c a u s e o f t h e p r a c t i c a l l i m i t a t i o n o f t h e l e n g t h o f l o n g - d i s t a n c e

p o i n t - t o - p o i n t w i r e l e s s l i n k b e t w e n s e c o n d a r y a n d t h e p r i m a r y s y s t e m . T h e a r c h i t e c t u r e

w i t h o n e E x t e n d e d W i F i R e c e l l i s s h o w n i n F i g u r e . 3 . 2

F i g u r e 3 . 2 : T w o H o p A r c h i t e c t u r e

T h e i n f r a s t r u c t u r a l r e q u i r e m e n t s a r e v e r y m u c h s i m i l a r t o T h r e e h o p a r c h i t e c t u r e .

A l s o t h e r e i s p o s s i b i l i t y o f o v e r l a p p i n g s e c t o r s s o w e n e e d g l o b a l s c h e d u l i n g p o l i c y f o r t h e

s e c t o r s , s o t h a t n o t w o o v e r l a p p i n g s e c t o r s t r a n s m i t a t t h e s a m e t i m e .

I n b o t h t h e a b o v e a r c h i t e c t u r e s w e h a v e c o m p l e t e W i F i R e c e l l i n t h e s e c o n d a r y s y s t e m .

T h e c i r c u l a r s h a p e o f t h e c e l l r e s u l t s i n t o s o m e v o i d a r e a s w h e r e w e h a v e n o c o n n e c t i v i t y .

T h u s t h e v i l l a g e s w h i c h l i e i n t h e v o i d a r e a w i l l n o t h a v e t h e c o n n e c t i v i t y .

3 . 4 S e c t o r i z e d A r c h i t e c t u r e

T h i s a r c h i t e c t u r e e x t e n d s t h e c o v e r a g e a r e a b y 5 - 8 k m s . H e r e w e h a v e r e l a y S T s a t t h e

b o u n d a r y o f t h e W i F i R e c e l l w i t h s e c t o r i z e d a n t e n n a . T h e s e c t o r i z e d a n t e n n a e x t e n d s t h e

c o v e r a g e a r e a a n d t h e S T s i n t h e s e c o n d a r y s y s t e m h a v e d i r e c t i o n a l a n t e n n a r e s u l t i n g i n t o

p o i n t - t o - m u l t i p o i n t a r c h i t e c t u r e . W e c a n h a v e m u l t i p l e s e c t o r s a t t h e r e l a y S T , b u t h i s

m a k e s t h e s y s t e m m o r e c o m p l e x a s i t m a y r e s u l t i n t o o v e r l a p p i n g s e c t o r s a n d s c h e d u l i n g

i s s u e s . H e n c e w e a s s u m e o n l y o n e s e c t o r p e r r e l a y S T . W e c a n h a v e m u l t i p l e r e l a y S T s

w i t h i n s i n g l e p r i m a r y s e c t o r . F i g u r e 3 . 3 s h o w s t h e e x a m p l e o f t h i s a r c h i t e c t u r e w i t h t w o

r e l a y S T s .

2 2


28/73

F i g u r e 3 . 3 : S e c t o r A r c h i t e c t u r e

T h i s a r c h i t e c t u r e a l s o r e s u l t s i n t o v o i d a r e a s , b u t b y c a r e f u l l y p l a n n i n g t h e p l a c e m e n t s

o f s e c t o r s w e c a n r e d u c e t h e v o i d a r e a .

3 . 5 T r e e B a s e d A r c h i t e c t u r e

T h i s a r c h i t e c t u r e a d o p t s a T r e e l i k e s t r u c t u r e . I n a l l t h e a b o v e a r c h i t e c t u r e s w e s e e t h a t

t h e r e i s a r e l a y S T w h i c h a c t s a s c o n n e c t i o n p o i n t b e t w e e n p r i m a r y a n d s e c o n d a r y s y s t e m .

C o n s i d e r i n g t h i s f a c t , i n t h i s a r c h i t e c t u r e w e c o n s i d e r t r e e t o p o l o g y w h e r e r e l a y S T i s r o o t

o f t h e t r e e . T h i s a r c h i t e c t u r e w i l l u s u a l l y r e q u i r e c o m p a r a t i v e l y s m a l l d i s t a n c e l i n k s a n d i s

m o r e e c i e n t c o s t w i s e . T h i s i s e x p l a i n e d i n t h e s u b s e q u e n t c h a p t e r s . I n t h i s a r c h i t e c t u r e

a l l t h e l i n k s a r e p o i n t - t o - p o i n t l i n k s . F i g u r e 3 . 4 s h o w s t y p i c a l e x a m p l e o f T r e e b a s e d

a r c h i t e c t u r e .

F i g u r e 3 . 4 : T r e e A r c h i t e c t u r e

2 3


29/73

3 . 6 C o m p a r i s o n

T h e T a b l e 3 . 1 c o m p a r e s a b o v e d e s c r i b e d a r c h i t e c t u r e s o n d i e r e n t p a r a m e t e r s t h a t h e l p s

u s i n d e c i d i n g t h e t h e b e s t s u i t a b l e a r c h i t e c t u r e f o r m u l t i h o p e x t e n s i o n .

T a b l e 3 . 1 : C o m p a r i s o n o f M H - W i F i R e A r c h i t e c t u r e s

P a r a m e t e r s T h r e e H o p T w o H o p S e c t o r i z e d T r e e B a s e d

S e c o n d a r y S y s t e m C o v e r a g e

( i nkm2

) 7 0 7 6 2 8 1 6 0 1 6 0

V i l l a g e s C o v e r e d

1 1 8 5 2 2 7 2 7

T o t a l C o s t

$ 5 2 0 6 0 $ 2 7 6 4 0 $ 1 6 5 2 0 $ 1 4 9 9 0

C o s t / V i l l a g e

$ 4 4 1 $ 5 3 1 $ 6 1 2 $ 5 5 5

P H Y - O V E R H E A D c a n b e

c o m b i n e d N o N o N o Y e s

C a l l s / V i l l a g e

0 . 4 0 0 . 9 0 1 . 3 5

R e q u i r e s L o S b e t w e e n

R e l a y S T a n d S e c o n d a r y S T Y e s Y e s Y e s N o

P r e s e n c e o f V o i d s

Y e s Y e s Y e s N o

C o m p l e x i t y o f t h e S y s t e m

M o r e M o r e L e s s L e s s

O v e r c o m e s O b s t a c l e s i n

t h e P r i m a r y S e c t o r N o N o Y e s Y e s

T h r e e h o p a n d T w o h o p a r c h i t e c t u r e p r o v i d e m o r e c o v e r a g e a r e a t h a n s e c t o r a n d t r e e

a r c h i t e c t u r e . B u t c o n s i d e r i n g a t y p i c a l s c e n a r i o o f W i F i R e a s s h o w n i n g u r e 4 . 2 , F i b e r

P o i n t - o f - P r e s e n c e a r e a t a d i s t a n c e o f 4 0 - 4 5 k m s a n d h e n c e t y p i c a l l y o n l y 5 - 1 0 k m s o f

e x t e n s i o n i s r e q u i r e d . F o r s u c h e x t e n s i o n t r e e a n d s e c t o r a r c h i t e c t u r e s a r e m o r e s u i t a b l e

t h a n t h e o t h e r t w o . A l s o t h e c o s t p e r v i l l a g e i s l e s s f o r t h r e e h o p a r c h i t e c t u r e , b u t t h e

d i e r e n c e i s n o t s i g n i c a n t a n d o v e r a l l t h e c o s t i s n o t v e r y h i g h f o r a l l t h e a r c h i t e c t u r e s .

A n o t h e r i m p o r t a n t p a r a m e t e r i s n u m b e r o f c a l l s s u p p o r t e d p e r v i l l a g e . I t s l e s s t h a n

o n e f o r b o t h t h r e e h o p a n d t w o h o p a r c h i t e c t u r e s . A l s o i t s c o m p a r a t i v e l y l e s s f o r s e c t o r

a r c h i t e c t u r e , w h e r e a s f o r t r e e a r c h i t e c t u r e i t s m a x i m u m a n d s u c i e n t c o n s i d e r i n g v i l l a g e

s c e n a r i o . T r e e a r c h i t e c t u r e i s a b l e t o s u p p o r t m o r e n u m b e r o f c a l l s b e c a u s e i t c o m b i n e s

P H Y - O V E R H E A D , w h e r e a s o t h e r a r c h i t e c t u r e s c a n n o t . T h e r s t t h r e e a r c h i t e c t u r e s

r e q u i r e s L o S c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n R e l a y S T a n d S e c o n d a r y S T b e c a u s e t h e r e e x i s t

a d i r e c t p o i n t - t o - p o i n t w i r e l e s s l i n k b e t w e e n t h e m , w h e r e a s i n t r e e a r c h i t e c t u r e t h e r e

n e e d n o t b e a d i r e c t p o i n t - t o - p o i n t w i r e l e s s l i n k b e t w e e n R e l a y S T a n d S e c o n d a r y S T .

A l s o t h e r e a r e n o v o i d a r e a s i n c a s e o f t r e e . T a b l e 3 . 2 g i v e s t h e b e s t c a s e i n f r a s t r u c t u r a l

r e q u i r e m e n t s f o r a l l t h e a r c h i t e c t u r e s . W e s e e t h a t a l l t h e a r c h i t e c t u r e s n e e d a t l e a s t o n e

2 4


30/73

4 0 m t r t o w e r e x c e p t f o r T r e e a r c h i t e c t u r e . B u t t r e e a r c h i t e c t u r e n e e d s m o r e d i r e c t i o n a l

a n t e n n a s c o m p a r e d t o o t h e r s .

T a b l e 3 . 2 : B e s t C a s e I n f r a s t r u c t u r a l R e q u i r e m e n t s

I n f r a s t r u c t u r e T h r e e H o p T w o H o p S e c t o r i z e d T r e e B a s e d

4 0 m T o w e r s O n e O n e O n e Z e r o

2 0 m M a s t s p e r V i l l a g e O n e O n e O n e O n e

S e c t o r i z e d A n t e n n a S i x S i x O n e o r M o r e Z e r o

D i r e c t i o n a l A n t e n n a s p e r

V i l l a g e

O n e O n e O n e 2 ( N - 1 ) / N

T h u s w e s e e t h a t t h r e e h o p a n d t w o h o p a r c h i t e c t u r e s d o n o t r e a l l y a d d m o r e v a l u e s

t h r o u g h i t s h u g e c o v e r a g e a r e a . T y p i c a l l y w e n e e d t o e x t e n d t h e W i F i R e b y 5 - 8 k m s o n l y .

A l s o , t h r e e h o p a n d t w o a r c h i t e c t u r e s c a n n o t o v e r c o m e t h e l i n e o f s i g h t l i m i t a t i o n ( F i g u r e

1 . 5 ) o f t h e W i F i R e . C a l l s p e r v i l l a g e s u p p o r t e d b y t h e s e a r c h i t e c t u r e s i s a l s o l e s s a s t h e y

c o v e r m o r e n u m b e r o f v i l l a g e s w i t h t h e B W l i m i t e d b y t h e u n d e r l y i n g W i F i R e s y s t e m .

T h e s e l i m i t a t i o n s m a k e s T h r e e h o p a n d t w o h o p a r c h i t e c t u r e s u n s u i t a b l e f o r t h e m u l t i -

h o p e x t e n s i o n . I n t h e n e x t c h a p t e r , w e p e r f o r m d e t a i l c o s t a n a l y s i s o f t h e r e m a i n i n g t w o

a r c h i t e c t u r e s , t h a t i s t r e e a n d s e c t o r a r c h i t e c t u r e , a s C o s t i s a d o m i n a n t f a c t o r i n d e c i d i n g

t h e s u i t a b l e a r c h i t e c t u r e f o r r u r a l a r e a .

2 5


31/73

C h a p t e r 4

C o s t A n a l y s i s o f A r c h i t e c t u r e s

I n t h i s c h a p t e r , w e r s t d i s c u s s s o m e b a s i c s o f l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s l i n k s a n d t o w e r s ,

t y p i c a l c o v e r a g e r e q u i r e m e n t s a n d b e s t a n d w o r s t c a s e s c e n a r i o s f o r S e c t o r i z e d s y s t e m .

T h i s i s f o l l o w e d b y c o s t a n a l y s i s o f T r e e a n d S e c t o r a r c h i t e c t u r e .

4 . 1 B a c k g r o u n d

4 . 1 . 1 L o n g D i s t a n c e W i r e l e s s L i n k s

T o e s t a b l i s h a l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s l i n k s i t s n e c e s s a r y t o m e e t t w o r e q u i r e m e n t s :

W i r e l e s s L i n k B u d g e t :

A w i r e l e s s l i n k b u d g e t c a l c u l a t i o n t o t a l s t h e s i g n a l g a i n s , s u b s t r a c t s t h e s i g n a l l o s s e s

o v e r t h e w i r e l e s s l i n k a n d p r e d i c t s w h e t h e r t h e s i g n a l s t r e n g t h r e c e i v e d a t t h e r e c e i v e r

e n d i s h i g h e n o u g h f o r t h e l i n k t o w o r k r e l i a b l y [ 2 7 ] . F o r p r o p e r r e c e p t i o n o f t h e

s i g n a l a t t h e r e c e i v e r e n d t w o c o n d i t i o n s m u s t b e s a t i s e d [ 2 2 ] :

1 . T h e s i g n a l l e v e l r e c e i v e d a t t h e r e c e i v e r s h o u l d b e a b o v e c e r t a i n t h r e s h o l d .

2 . T h e s i n a l s h o u l d b e a b o v e t h e i n t e r f e r e n c e b y SI Rreqd.

I n t h i s p r o j e c t , w e h a v e n o t c o n s i d e r e d P o w e r c o n s t r a i n t s a n d W i r e l e s s L i n k B u d g e t

c a l c u l a t i o n s . M o r e d e t a i l s o n t h e s a m e c a n b e o b t a i n e d i n [ 2 7 ] [ 2 2 ]

W i r e l e s s L i n e - o f - S i g h t [ 2 7 ] :

I t i s c o m m o n f o r w i r e l e s s s i g n a l t o e x p e r i e n c e a t t e n u a t i o n a n d r e e c t i o n o r d i r a c -

t i o n w h e n i t e n c o u n t e r s a n o b s t r u c t i o n o n i t s w a y . T h e s e o b s t r u c t i o n s a r e c o m m o n

i n c a s e o f o u t d o o r e n v i r o n m e n t , h e n c e t o e s t a b l i s h a l o n g d i s t a n c e w i r e l e s s l i n k i t i s

n e c e s s a r y t o h a v e w i r e l e s s l i n e - o f - s i g h t ( L O S ) p a t h . I t i s a p a t h w i t h n o o b s t r u c t i o n

t o s i g n i c a n t l y b l o c k , r e e c t , d i r a c t , a b s o r b o r a t t e n u a t e t h e w i r e l e s s s i g n a l . A

w i r e l e s s L O S p a t h t y p i c a l l y r e q u i r e s a v i s u a l L O S p a t h p l u s a d d i t i o n a l p a t h c l e a r -

a n c e t o a c c o u n t f o r t h e s p r e a d i n g o f t h e w i r e l e s s s i g n a l . F r e s n e l Z o n e p r o v i d e s a

2 6


32/73

m e t h o d t o d e t e r m i n e t h e a m o u n t o f c l e a r a n c e a w i r l e s s l i n k n e e d s f r o m a n o b s t a -

c l e t o e s t a b l i s h a r e l i a b l e l i n k . T h e c o n c e p t o f f r e s n e l z o n e i s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 .

F r e s n e l z o n e i s c a l c u l a t e d u s i n g f o l l o w i n g f o r m u l a :

diam(f t.) = 72.1d1 d2

f (d1 + d2)( 4 . 1 )

w h e r e , d1

,d2

a r e i n m i l e s a n d f

i s t h e f r e q u e n c y o f t h e s i g n a l i n G H z

A t l e a s t 6 0 % o f t h e c a l c u l a t e d F r e s n e l z o n e m u s t b e c l e a r t o a v o i d s i g n i c a n t s i g n a l

a t t e n u a t i o n .

F i g u r e 4 . 1 : F r e s n e l Z o n e

I n a v i l l a g e s c e n a r i o c o m m o n o b s t a c l e s a r e b u s h e s , f a r m s , h o u s e s , t r e e s a n d h i l l s . H o u s e s

a r e n o t m u l t i - s t o r i e d a n d a r e u s u a l l y n o t m o r e t h a n t w o - s t o r i e d . M o s t o f t h e t r e e s h a v e

h e i g h t o f a r o u n d 1 3 - 1 7 m t r s e x c e p t s o m e t r e e s l i k e B a n y a n t r e e , P i p a l t r e e e t c a r e u s u a l l y

l a r g e a n d h a v e h e i g h t o f a r o u n d 3 0 m t r s [ 2 ] . H e r e w e c l a s s i f y o b s t a c l e s i n t o t h r e e c a t e g o r i e s :

S m a l l H e i g h t O b s t a c l e s : H e i g h t o f t h e s e o b s t a c l e s i s l e s s t h a n o r e q u a l t o 1 7 m t r s .

F o r e x a m p l e , b u s h e s , f a r m s , h o u s e s , t r e e s e t c .

M e d i u m H e i g h t O b s t a c l e s : H e i g h t o f t h e s e o b s t a c l e s i s g r e a t e r t h a n 1 7 m t r s b u t l e s s

t h a n o r e q u a l t o 3 0 m t r s . F o r e x a m p l e , l a r g e t r e e s , s m a l l h i l l s e t c .

L a r g e H e i g h t O b s t a c l e s : H e i g h t o f t h e s e o b s t a c l e s i s g r e a t e r t h a n 3 0 m t r s . F o r

e x a m p l e H i l l s , v e r y l a r g e t r e e s e t c .

. A s e x p l a i n e d a b o v e t o e s t a b l i s h a l i n k i t s n e c e s s a r y t o o v e r c o m e t h e o b s t a c l e s . S o

a n t e n n a s a r e m o u n t e d o n a m o u n t i n g s t r u c t u r e o f a p p r o p r i a t e h e i g h t . T h e c o m m o n l y

u s e d m o u n t i n g s t r u c t u r e s a r e :

2 7


33/73

P o l e s : P o l e s a r e o f 5 - 1 2 m t r s i n h e i g h t a n d a r e t h e c h e a p e s t a m o n g a l l .

M a s t s : M a s t a r e o f 1 0 - 2 0 m t r s i n h e i g h t a n d a r e c h e a p . T y p i c a l l y i t s c o s t i s a r o u n d

$ 1 7 0 .

T o w e r s : T o w e r s a r e o f 2 0 - 6 0 m t r s i n h e i g h t a n d a r e m o s t e x p e n s i v e . A m o n g a l l t h e

i n f r a s t r u c t u r a l r e q u i r e m e n t s t o e s t a b l i s h a w i r e l e s s l i n k , t o w e r i s t h e m o s t e x p e n s i v e

c o m p o n e n t .

T h e t e r m s " M a s t " a n d " T o w e r " a r e o f t e n u s e d i n t e r c h a n g e a b l y . H o w e v e r , i n e n g i n e e r i n g

t e r m s , a t o w e r i s a s e l f - s u p p o r t i n g o r c a n t i l e v e r e d s t r u c t u r e , w h i l e a m a s t i s h e l d u p b y

s t a y s o r g u y s [ 3 ] . T h e c o s t o f t o w e r d e p e n d s o n i t s h e i g h t . T a b l e 4 . 1 g i v e s c o s t o f t o w e r

a n d m a s t w . r . t . t h e h e i g h t [ 4 ] .

T a b l e 4 . 1 : C o s t o f T o w e r s / M a s t s

I t e m C o s t ( a p p r o x . U . S . $ )

A n t e n n a T o w e r

1 5 m $ 2 , 3 0 0

2 0 m $ 3 , 0 0 0

2 5 m $ 3 , 9 0 0

3 0 m $ 4 , 8 0 0

4 5 m $ 6 , 6 0 0

A n t e n n a M a s t

1 0 m $ 8 5

1 5 m $ 1 3 0

2 0 m $ 1 7 0

T h e c o s t i s a l m o s t c o n s t a n t t i l l 2 0 m t r s , t h e n t h e r e i s a h i g h r i s e i n t h e c o s t a f t e r

2 0 m t r s a f t e r w h i c h t h e c o s t i n c r e a s e s l i n e a r l y w i t h t h e h e i g h t . F r o m h e r e o n w a r d s i n

t h e r e p o r t , t o w e r s w i t h h e i g h t l e s s t h a n o r e q u a l t o 2 0 m t r s w i l l b e r e f e r r e d a s M a s t t o

d i s t i n g u i s h i t f r o m t h e T o w e r s o f h e i g h t 3 0 - 4 0 m t r s . T h u s t o h a v e a c o s t e e c t i v e s y s t e m

w i r e l e s s l i n k s s h o u l d b e e s t a b l i s h e d w i t h m i n i m u m n u m b e r o f T o w e r s . T o e s t a b l i s h a l o n g

d i s t a n c e l i n k w i t h o b s t a c l e i n b e t w e e n i t s m o r e c o s t e e c t i v e t o u s e o n e l a r g e t o w e r a n d o n e

m a s t o v e r u s i n g t w o t o w e r s o f s m a l l h e i g h t . T h i s t y p i c a l a r r a n g e m e n t i s s h o w n i n F i g u r e

4 . 2 . F o l l o w i n g s i m p l e g e o m e t r y o f s i m i l a r t r i a n g l e s , w e g e t t h e f o l l o w i n g r e l a t i o n s h i p

b e t w e e n t h e h e i g h t o f T o w e r a n d t h e h e i g h t o f o b s t a c l e

H = 2ho + (2F ZR h) ( 4 . 2 )

T h u s w e s e e t h a t t h e r e i s a l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n h e i g h t o f t h e o b s t a c l e a n d

h e i g h t o f t h e t o w e r . T h e a b o v e r e l a t i o n s h i p i s p l o t t e d i n F i g u r e 4 . 3 c o n s i d e r i n g F ZR = 5

m t r s a n d h = 20

m t r s . F ZR = 5 m t r s i m p l i e s , i t s a l o n g d i s t a n c e l i n k o f l e n g t h 8 k m s .

W e s e e t h a t , f o r F ZR = 5 m t r s , i t i s p o s s i b l e t o e s t a b l i s h a w i r e l e s s l i n k w i t h m a s t a t

b o t h e n d t i l l t h e o b s t a c l e h e i g h t i s l i m i t e d t o 1 5 m t r s .

2 8


34/73

F i g u r e 4 . 2 : L o n g d i s t a n c e l i n k

F i g u r e 4 . 3 : T o w e r H e i g h t r e q u i r e d t o e s t a b l i s h a l i n k

F o r a s h o r t d i s t a n c e w i r e l e s s l i n k o f u p t o 4 k m s , f o r t h e 6 0 % F r e s n e l c l e a r a n c e t h e

r a d i u s c o m e s t o b e 3 . 3 5 m t r s , h e n c e t h e m a s t o f 2 0 m t r s a t b o t h e n d c a n o v e r c o m e S m a l l

H e i g h t o b s t a c l e s t o e s t a b l i s h a w i r e l e s s l i n k . T o o v e r c o m e M e d i u m H e i g h t o b s t a c l e s w e

w i l l n e e d t o w e r a t o n e e n d . F o r a l o n g d i s t a n c e l i n k s o f 8 - 1 0 k m s , t h e r e q u i r e d F r e s n e l

r a d i u s f o r 6 0 % c l e a r a n c e i s a b o u t 5 . 5 m t r s . A l s o f o r s u c h a l o n g d i s t a n c e t h e r e a r e c h a n c e s

o f t e r r a i n v a r i a t i o n d u e t o e a r t h ' s c u r v a t u r e . T o e s t a b l i s h s u c h a l i n k w e w i l l n e e d T o w e r

a t o n e e n d f o r S m a l l h e i g h t o b s t a c l e s a n d t o o v e r c o m e L a r g e o b s t a c l e s w e w i l l n e e d t o w e r s

a t b o t h e n d . I t s d i c u l t t o e s t a b l i s h l i n k w i t h L a r g e h e i g h t o b s t a c l e s f o r b o t h s m a l l a s

w e l l a s l o n g d i s t a n c e l i n k s . T h e a b o v e d e t a i l s a r e s u m m a r i z e d i n t h e T a b l e 4 . 2

2 9


35/73

T a b l e 4 . 2 : T y p e o f L i n k s

L i n k D i s t a n c e O b s t a c l e T y p e L i n k T y p e

S h o r t L i n k

( < = 4 k m s ) S m a l l ( < = 1 7 m t r s ) M a s t - M a s t

S h o r t L i n k

( < = 4 k m s ) M e d i u m ( > 1 7 & < = 3 0 m t r s ) T o w e r - M a s t

S h o r t L i n k

( < = 4 k m s ) L a r g e ( > 3 0 m t r s ) D i c u l t t o e s t a b l i s h l i n k

L o n g L i n k

( 8 - 1 0 k m s ) S m a l l ( < = 1 7 m t r s ) T o w e r - M a s t

L o n g L i n k

( 8 - 1 0 k m s ) M e d i u m ( > 1 7 & < = 3 0 m t r s ) T o w e r - T o w e r

L o n g L i n k

( 8 - 1 0 k m s ) L a r g e ( > 3 0 m t r s ) D i c u l t t o e s t a b l i s h l i n k

4 . 1 . 2 T y p i c a l W i F i R e S c e n a r i o

A t y p i c a l W i F i R e s c e n a r i o i s d e s c r i b e d i n F i g u r e 1 . 4 . F r o m t h e g u r e i t i s c l e a r t h a t w e

n e e d t o e x t e n d t h e c e l l c o v e r a g e b y 5 k m s t o 8 k m s . T y p i c a l l y t h e e x t e n d e d s y s t e m s h o u l d

c o v e r t h e a r e a a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 4 .

F i g u r e 4 . 4 : C o v e r a g e R e q u i r e d

T h e t o t a l e x t e n d e d c o v e r a g e a r e a c o m e s t o b e 1 6 0 km2

. O n a n a v e r a g e t h e r e i s o n e

v i l l a g e e v e r y 6 km2

[ 1 3 ] . S o e x p e c t e d n u m b e r o f v i l l a g e s i n t h e e x t e n d e d c o v e r a g e a r e a a r e

2 7 . F i g u r e s 4 . 5 a n d 4 . 6 s h o w h o w T r e e a n d S e c t o r A r c h i t e c t u r e s w i l l t y p i c a l l y e x t e n d t h e

P r i m a r y s y s t e m . T y p i c a l l y a l i n k i n a S e c t o r a r c h i t e c t u r e w i l l b e o f 7 - 8 k m s w h e r e a s i n a

3 0


36/73

T r e e a r c h i t e c t u r e i t w i l l b e 3 - 4 k m s . C o n s i d e r i n g o n l y s m a l l o b s t a c l e s a r e p r e s e n t u s u a l l y ,

s e c t o r i z e s y s t e m w i l l n e e d T o w e r a t r e l a y S T a n d m a s t a t v i l l a g e n o d e s , w h e r e a s i n c a s e

o f t r e e a r c h i t e c t u r e w e c a n h a v e m a s t a t a l l s i t e s . B u t i f M e d i u m h e i g h t o b s t a c l e s a r e

p r e s e n t t h e n w e w i l l n e e d T o w e r - M a s t s e t u p f o r T r e e a r c h i t e c t u r e a n d T o w e r - T o w e r s e t u p

f o r S e c t o r i z e d a r c h i t e c t u r e .

F i g u r e 4 . 5 : S e c t o r A r c h i t e c t u r e F i g u r e 4 . 6 : T r e e A r c h i t e c t u r e

I n a s e c t o r i z e s y s t e m i t s v e r y u n l i k e l y t h a t a l l t h e v i l l a g e s w i l l g e t c o v e r e d i n a s i n g l e

s e c t o r . W e w i l l n e e d m u l t i p l e s e c t o r s t o c o v e r v i l l a g e s . I t s a l s o p o s s i b l e t h a t s o m e v i l l a g e s

d o n o t g e t c o v e r e d a t a l l d u e t o p r e s e n c e o f v o i d s . A r e a c o v e r e d b y s i n g l e s e c t o r d e p e n d s o n

t h e b e a m w i d t h o f t h e s e c t o r . T h e T a b l e 4 . 3 g i v e s v a r i o u s d e t a i l s f o r d i e r e n t b e a m w i d t h

o f s e c t o r . A r e a c o v e r e d i s c a l c u l a t e d a s s u m i n g c o v e r a g e o f 8 k m s a n d N u m b e r o f s e c t o r s

r e q u i r e d i s c a l c u l a t e d a s s u m i n g t h e r e i s n o s e c t o r o v e r l a p p i n g a n d p r e s e n c e o f v o i d s . I n

r e a l i t y , i t i s n o t p o s s i b l e t o h a v e c o m p l e t e c o v e r a g e w i t h o u t s e c t o r o v e r l a p p i n g o r v o i d s .

I

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2008 MH-WiFiRe Multi-Hop Extension to WiFiRe -Thesis