In a wireless network, mobile stations experience multipath fading, severe shadowing and weather impairments, which cause burst errors to occur frequently. Therefore, in order to provide reliable transmission of packet data in such an environment, an efficient data link protocol is required, even though this could cause slight service delays. Error recovery schemes to cope with wireless channel noise have been investigated extensively. Conventional error recovery methods are based on automatic repeat request (ARQ) retransmission schemes, such as Stop-and-Wait (SAW), GO-Back-N (GBN), and Selective-Repeat (SR). Other approaches are related to the hybrid ARQ (HARQ), in which automatic repeat request scheme is combined with forward error control (FEC). In the ARQ and HARQ schemes, a fixed frame length is usually used, which is designed in the consideration of the worst channel condition and the overhead required per frame in mind.
The frame length of the data link layer is an important factor that affects the throughput performance of wireless packet transmission. If the frame length could be chosen adaptively in response to the dynamically varying wireless channel, maximum throughput could be achieved in both noisy and non-noisy error conditions. In order to maximize the long-term throughput performance, the short-term performance must be optimized over the time-varying wireless channel. This short-term best performance could be achieved if the optimal frame length could be chosen almost instantaneously. Further, the optimum frame length could be obtained by proper estimation of the wireless channel characteristics. So, if the short-term channel status of the instantaneous burst error channel could be estimated, good throughput performance would be achieved continuously. However, the estimation of error channel is difficult because there are various kinds of degradation due to fading, shadowing, and propagation loss. The bit error rate(BER) and the duty cycle of noise bursts during the short-term interval result from channel error. At the receiver, if the bit error rate and the duty cycle of noise bursts in current channel are estimated from cyclic redundancy check bits of received frames, the channel status will be estimated indirectly.
Additionally, window size of data link layer which is the number of frames transmitted without the feedback from the receiver is one of important factors to influence on the throughput performance at wireless channel. A transmitter first transmits frames to the receiver. Then, it waits for the feedback from the receiver. If window size is set with small value, the transmitter can not send frames even though the transmitter and receiver are ready to communicate. If the window size would be adaptively chosen, the transmission system save the capacity. Then, better performance would be resulted.
And in the case of a timer duration at the transmitter influence on the performance, too. Basically, the duration is set to somewhat longer value than round-trip time of error-free channel status, then adaptively controlled. If we choose shorter value, the number of retransmission will be increased. In the opposite case, the transmission delay will be increased because the transmitter will wait for the feed-back even though the feedback is corrupted and fails to reach to the transmitter.
In this dissertation, an adaptive control scheme for the data link layer is proposed that will reduce the burst error effect and improve performance in the wireless net-works. We use a two-state markov block interference model as a channel model of the wireless networks. Then, the estimation of the bit error rate(BER) and the duty cycle of noise bursts during a short time interval is used for deciding the optimum values for frame length, window size and timer duration. The relationship between throughput performance and frame length is numerically analyzed and the optimum length is obtained analytically. And the results of numerical analysis and computer simulation are similar each other. These results show that the frame length of the proposed scheme is an optimum length under the various error environment, such as dense noise burst and diffuse noise burst.
무선통신시스템에서 이동국들은 다중경로 페이딩, 섀도잉(shadowing), 날씨등에 영향을 받게 되고, 이러한 영향은 이동국의 무선 통신환경을 나쁘게 만든다. 그러므로, 이러한 환경에서 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해서는 데이터 전송의 약간의 지연이 있을지라도, 효율적인 데이터 링크 계층의 프로토콜이 필요하게 된다. 무선 전송환경에서 발생하게 되는 오류를 줄여주고 복구하기 위한 연구가 여러 분야에서 광범위하게 이루어져 왔다.
일반적인 오류복구 방법으로 Stop-and-Wait(SAW), Go-back-N(GBN) 그리고 Selective-Repeat(SR) 등 ARQ(automatic repeat request) 재전송방법이 있다. 더 나아가 다른 복구 방법으로는 순방형 오류제어 코드(FEC:forward error correction)와 결합된 재전송 방법인 복합 재전송 방법(HARQ: hybrid ARQ)이 있다. 이러한 ARQ와 HARQ방식에서는 고정된 프레임 길이가 보통 사용된다. 그런데, 이 프레임 길이는 최악의 전송 환경에서도 오류를 복구할 수 있도록 고려한 것이다. 그러므로, 무선 환경이 좋은 경우 상대적으로 길이가 적은 프레임 길이를 사용하게 된다. 그러나, 오류가 많지 않는 채널환경에서는 프레임의 길이가 클 경우에 성능이 좋아지게 된다. 다시 말하면, 채널이 깨끗한 환경에서는 더 많이 정보를, 한번에 전송을 할 수 있기 때문에, 상대적으로 프레임의 길이가 긴 경우가 유리하게 되고, 반대로 오류가 많이 발생하는 환경에서는 상대적으로 길이가 짧은 경우가 더 좋은 전송 성공률을 보여준다. 그렇지만 아주 작은 길이를 가진 프레임은 프레임의 헤더의 길이때문에 제일 좋은 결과를 보여주지는못한다.
따라서, 프레임의 길이를 무선채널의 환경에 따라서 조절하여 전송하게 되면, 데이터 전송 성공률을 좀 더 높일 수가 있다. 데이터 전송 성공률을 최대화 하기 위해서, 먼저 채널의 에러 상태를 비교적 정확하게 예측을 하여야 한다. 직전에 전송된 프레임의 에러 발생여부를 검사하게 되면 채널의 에러 상황을 예측할 수 있다. 일정시간동안에 전송된 프레임의 오류률을 계산할 수가 있다면, 이 정보를 이용하여 송신측에서 적절한 프레임의 길이를 계산할 수 있다. 그러므로, 계속적으로 수신측에서 측정된 오류률에 따라서 송신측에서 프레임의 길이를 결정하여 전송을 하게 되면, 더 좋은 전송 성공률을 얻을 수가 있다. 무선 전송 채널의 상태를 예측하는 방법으로는 여러 가지 방법이 있을 수 있지만, 이 논문에서는 비트 에러율과 에러 상태의 점유률(duty cycle of noise burst)을 사용한다. 이 정보들은 수신측에서 수신된 프레임의 오류여부를 확인하게 되면 구할 수 있다고 가정한다.
추가적으로 데이터 링크 계층의 윈도구 크기는 무선 채널의 전송 성공률에 영향을 미치는 다른 하나의 요소이다. 윈도우 크기는 송신측에서 수신측의 귀환 신호 없이 보낼 수 있는 프레임의 수를 의미한다. 이 윈도우 크기가 작게 되면, 송신측은 수신측에서 데이터를 수신할 준비가 되어 있는데도 불구하고 보내지 않게 되고, 크게 되면 수신측 버퍼의 용량의 초과를 초래하게 된다. 만약에 윈도우 크기를 에러 환경에 맞게 선택하게 되면, 송신측은 자원을 절약하게 되고, 결과적으로 전송 성공률를 높힐 수가 있다.
또한, 송신측의 전송 성공률에 영향을 미치는 요소로서, 타이머 종료 시간을 들 수가 있다. 송신측에서 프레임을 전송하면서 이 타이머를 동작을 시키게 되고, 타이머의 종료시간 이전까지 수신측의 귀환 신호를 송신측이 받지 못하면 재전송을 하게 된다. 이 타이머 종료 시간도 에러환경에 따라서 탄력적을 조절하게 되면, 좋은 전송 성공률을 얻을 수가 있다.
본 논문에서는 무선 통신을 위한 적응 데이터 링크 계층 프로토콜을 제안하였다. 이 제안된 방법은 다량 오류 발생 환경에 적절히 대응할 수 있어서 전송 성공률을 개선할 수 있었다. 또한, 무선 채널을 마코프 2단계 모델을 이용하여 모델링하였고, 이 모델은 무선환경을 완전하게 반영하고 있지 못하지만, 에러의 변화 상태를 어느 정도 반영하고 있다. 수신측에서는 전송된 프레임을 검사하여, 비트 오류률과 에러상태의 점유률를 구하게 된다. 이 정보들은 송신측으로 보내어져, 송신측에서 전송되는 프레임의 길이, 윈도우 크기, 타이머 종료시간을 결정하게 된다. 전송 성공률과 프레임 길이와의 관계를 수학적 분석을 통하여 규명하였으며, 수학적 분석과 결과와 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 서로 일치하였다. 이러한 결과로 부터 제안된 방법에 의한 전송 프레임 길이는 여러 에러 환경에서 최적의 길이임을 알 수가 있었다.
