IEEE 802.11 wireless LANs equipments have been widely deployed and the do-. mands are increasing rapidly. Basically, medium access control(MAC) protocol of the IEEE 802.11 standard is consisted of two different schemes, which are centralized medium control scheme called as point coordination function(PCF) and distributed medium control scheme called as distributed coordination function(DCF). The DCF scheme is based on a carrier sense multiple access with collision avoidance(CSMA/CA). The quality of service(QoS), which is not considered in original DCF scheme, will be important issue since multimedia traffics need different requirements. Hence, the new IEEE 802.1le standard is developed to support QoS. Enhanced distributed channel access(EDCA) scheme is an enhancement of the DCF scheme providing different access parameters according to access categories(ACs). EDCA scheme has four ACs and each AC has its own minimum and maximum of contention window and arbitrary interframe space(AIFS), which discriminate each AC's access probability.
In this dissertation, we have studied and analyzed MAC protocol focusing on DCF scheme and EDCA scheme considering voice and data services.
First, we analyze throughput and delay performance in DCF scheme and compare the numerical results with simulation evaluations using IEEE 802.11a and IEEE 802.1lb physical layer parameters. In addition, the performance differentiation between EDCA stations and DCF stations when they are coexisting, is analyzed and it is shown that the numerical results from analysis are very close to simulation results.
Second, we consider voice service through wireless LANs. The voice service via voice over IP(VoIP) has become important because it provides low cost and high capacity solution particularly at office environment. The maximum voice capacity in case of no data stations is analyzed and evaluated in consideration of duplex VoIP traffic generations. And the impact of legacy DCF data stations on voice capacity is also analyzed and simulated.
Finally, two new multiple access schemes for IEEE 802.11 wireless LANs are suggested and evaluated. The first is an exclusive backoff scheme that uses each station's unique ID as backoff number after every DIFS time, which makes a collision free access and achieves high throughput. The second is a multiple access scheme for VoIP packets that uses energy-burst to prevent other stations' accesses. The proposed scheme can support maximum voice capacity since VoIP packets get absolutely higher access priority than data packets and the proposed scheme gives a collision free access among VoIP packets.
현재 IEEE 802.11 표준의 무선 랜 장비는 널리 사용되고 있으며 수요도 빠르게 증가하고 있다. 기본적으로 IEEE 802.11 표준의 매체 접근 제어(MAC) 프로토콜은 PCF라고 불리는 중앙 제어 방식과 DCF라고 불리는 분산 접속 방식의 두 가지로 구성되어 있다. DCF 방식은 충돌 방지 기법을 사용한 반송파 감지 다중 접속 방식(CSMA/CA) 프로토콜에 기반을 두고 있다. 그러나, DCF 방식에서는 멀티미디어 서비스 제공에 필요한 서비스의 질(QoS)을 보장할 수 없었다. 따라서 QoS를 보장하기 위해서 새로운 IEEE 802.11e 표준이 개발되었고, DCF 방식에 새로운 파라미터를 추가하여 발전시킨 EDCA 방식이 제안되었다. EDCA 방식에서는 4개의 서로 다른 트래픽 구분을 제공하며 각각의 접속 파라미터를 변화시킬 수 있다.
이 논문에서는 IEEE 802.11 표준의 무선 랜에서 음성과 데이터 서비스를 고려한 DCF 방식과 EDCA 방식에서의 MAC 프로토콜에 관한 연구를 수행하였다. 우선 IEEE 802.11 MAC에서 분산 제어 방식인 DCF 방식에 대해서 알아보고, 수율(throughput)과 접속 지연(MAC delay)을 분석하고 시뮬레이션을 통해서 확인하였다. 그리고 EDCA 방식과 기존의 DCF 방식과의 차이점을 비교하여, EDCA 방식과 DCF 방식을 사용하는 단말들이 함께 있을 때의 성능 차이를 이론적으로 분석하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 확인하였다. 그리하여 EDCA 방식은 DCF 방식과는 다른 백오프 감소 방법을 사용하기 때문에 IFS와 다른 접속 파라미터가 같더라도 DCF 방식보다 접속 확률을 높일 수 있음을 보였다.
무선 랜을 통한 음성 서비스는 저렴한 비용과 높은 용량을 제공할 수 있어 주목을 받고 있다. IEEE 802.11 무선 랜에서 음성 서비스를 VoIP를 통해서 제공할 때 최대 가능한 음성 세션의 수를 알아보았다. VoIP 패킷을 CBR과 VBR 두 가지 방식으로 생성할 때, IEEE 802.11b와 11a의 두 가지 물리 계층에 대해서 각각 가능한 음성 세션 수를 이론적 분석과 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 또한 DCF 방식의 데이터 단말이 EDCA 방식을 사용하는 음성 단말과 같이 동작할 때 데이터 부하량에 따른 가능한 음성 세션 수를 알아보았다. DCF 방식의 데이터 단말은 음성 용량의 심각한 감소를 초래하기 때문에 EDCA와 같은 분산 접속 방식에서 음성 세션의 QoS를 만족하기 위해서는 음성 패킷에게 접속의 우선 순위를 보장하는 새로운 방식이 도입되어야 함을 알 수 있었다.
마지막으로, IEEE 802.11 무선 랜의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 접속 방식을 제안하였다. 첫째, 데이터 단말들만 존재할 때 수율을 높일 수 있도록 각 단말이 고유의 ID를 백오프 값으로 사용하는 방안을 제안하였다. 기존의 방식과는 달리 백오프를 시작할 때마다 단말이 유일한 백오프 값을 가질 수 있도록 보장하였다. 특히, 단말의 고유 ID를 일정 시간마다 바꿔 줌으로써, 단말들 사이의 공평한 접속을 보장할 수 있었다. 제안한 방식은 infrastructure 모드와 ad hoc 모드 두 가지에 대해서 기존 방식보다 나은 성능을 보여주었고, 충돌 없는 접속을 통해서 시스템의 최대 수율까지 성능을 향상시킬 수 있었다. 둘째, 음성 서비스를 사용하는 EDCA 방식에서 음성 패킷에게 데이터 패킷보다 절대적 우선 순위를 보장하는 접속 방식을 제안하였다. 각 음성 단말은 고유의 ID를 이용해서 서로 충돌이 없는 접속을 하며, 데이터 단말의 접속을 막기 위해 음성 단말의 접속 구간 동안에는 주기적으로 busy 신호를 전송한다. 이 방식을 이용할 때 데이터 단말이 존재하더라도 최대의 음성 서비스 용량을 실현할 수 있었다. 따라서 제안한 방식을 무선 랜에서 동작하는 음성 전화에 독립적으로 사용한다면, 표준을 따르는 다른 단말들에게 영향을 주지 않으면서도 효율적인 음성 서비스를 지원할 수 있을 것이다.
