WLAN systems based on IEEE 802.11 have been widely deployed since IEEE 802.11b standard, which can support up to 11 Mbps data rate at 2.4GHz ISM band, was published and low-cost equipments were on market. Recently, infrastructure mode WLANs have been deployed rapidly, and applications have been extended to public wireless Internet access in hot spot areas. The PHY extensions of IEEE 802.11 standard support multiple PHY rates. The mandatory DCF access method is based on CSMA/CA with binary exponential backoff. A bi-dimensional Markov chain model for a station and more refined models have been introduced to analyze the performance of IEEE 802.11 DCF. We introduce a new modified analysis model. We take into account a frame retry limit, freezing of backoff counter, and the dependence of backoff procedure on the previous channel status all together. In addition, simplified channel equations are derived under the assumption of no consecutive transmissions at the shared channel. This simplified analysis yields more tractable and considerably exact results.
The DCF of the original IEEE 802.11 MAC does not fully reflect an infrastructure mode operation and a multi-rate environment. Since it allows all stations to access fairly regardless of their function and transmission rates, WLAN systems suffer from up-/down-link unfairness and performance anomaly. There have been no generalized analysis on throughput and channel utilization for successful transmissions in multi-rate WLAN systems which consist of stations with different access opportunities. Furthermore, there have been no multi-rate infrastructure mode WLAN oriented analysis. Several schemes have been proposed to enhance the performance of multi-rate WLAN systems. More access opportunities or longer transmission times are allocated to stations with higher PHY rates by adjusting frame sizes or contention window parameters. However, the above-mentioned fairness problem has not been fully considered. Several schemes have been proposed at MAC layer or TCP layer in order to enhance the up-/down-link unfairness. Since the unfairness problem is essentially caused by the characteristics of the legacy MAC, MAC layer schemes are preferred.
In this dissertation, we introduce a channel access scheme and its implementations in order to provide proportionally-fair services and enhance the performance of multi-rate WLAN systems. To evaluate the performance of enhanced multi-rate WLAN systems, we analyze the throughput and utilization of multi-rate WLAN systems based on a more generalized mathematical model in which stations have different access opportunities. We also analyze the performance focussing on infrastructure mode WLAN systems supporting multiple PHY rates. We develop more generalized schemes to resolve up-/down-link unfairness even in multi-rate environments. Furthermore, we propose fully utilization-fair WLAN systems to resolve both up-/down-link unfairness and performance anomaly at once in infrastructure mode WLAN systems supporting multiple PHY rates. We develop an up-/down-link utilization-fair (throughput-fair) scheme and an up-/down-link performance anomaly resolution scheme to construct fully utilization-fair WLAN systems with network devices using the legacy MAC structure. Furthermore, we proposed a new MAC structure based on multiple MAC entities. We can achieve fully utilization-fair WLAN systems by using the proposed MAC structure. Numerical results show that the proposed mathematical analysis is accurate and the proposed schemes are effective in improving the performance of multi-rate infrastructure mode WLAN systems.
본 박사학위 논문은 기존 무선 LAN 환경에서 문제점으로 부각된 다중 속도 운용상의 수율 (throughput) 저하 문제와 상하향 링크에서의 트래픽 처리 상의 공정성 문제를 함께 해결하는 방안을 제시한다. 기존의 다중매체제어(MAC) 구조에서의 해결 방안을 우선적으로 제시하였고, 이보다 개선된 방법으로 새로 제안하는 다중 실체 (entities)기반의 MAC 구조를 활용한 해결 방안도 제시하였다.
고속의 전송 속도를 지원하는 IEEE 802.11b 표준이 발표되고, 저렴한 장치들이 출시된 것을 계기로 IEEE 802.11 기반의 무선 LAN은 널리 사용되게 되었으며, 지금도 지속적으로 사용범위가 넓어지고 있다. 접근점 (AP, Access Point) 기반 무선 LAN의 보급이 활발히 이루어지고 있다.
IEEE 802.11 기반의 무선 LAN 성능 분석기법 연구와 성능평가 연구를 통해서 다중 속도 운용 상의 수율 저하 현상과 상하향 링크 상의 불공정성 문제가 알려졌다. 이러한 문제가 발생하는 이유는 기존의 MAC 프로토콜이 전송 속도, 무선 접속 장치의 역할 등을 고려하지 않은 체로 모든 무선 접속 장치에 공정한 접속 기회를 제공하는 방식을 채택하고 있기 때문이다. 다중 속도 운용 상의 수율 저하 현상을 해소하기 위하여 전송 속도가 높은 단말에 더 많은 접속 기회를 주어 수율을 향상하는 방법들이 제안되었다. 그러나, 수율 향상과 단말간의 공정성 문제를 함께 고려한 방법에 대한 연구가 부족하였다. AP가 있는 무선 LAN에서 상하향 링크 상의 불공정성 문제를 해결하기 위하여 AP에 더 많은 접속 기회를 주어 상하향 링크 상의 불공정성을 해소하는 방법들이 제안되었다. 그러나, 기존의 연구들은 단일 전송 속도 환경에서만 적용 가능한 방법일 뿐만 아니라, AP를 제외한 나머지 단말들이 동일한 접속 기회를 가지는 환경에서만 적용 가능한 방법이다.
본 박사학위 논문에서는 정확한 성능 분석을 위하여 기존의 무선 LAN 환경에서의 포화 상태에서의 해석적인 분석기법 상의 여러 오류를 고려하여 새로 개선된 성능평가 기법을 제안하였다. 단일 전송 속도 무선 LAN과 다중 전송 속도 무선 LAN의 성능 분석 기법을 제안하고 성능 평가를 수행하였다. AP 기반 무선 LAN을 분석하기에 적합한 성능 분석 기법을 제안하고 단일 전송 속도와 다중 전송 속도 환경에서의 성능 평가를 수행하였다. 결과로써, 무선 LAN의 다중 속도 운용 상의 수율 저하 현상과 AP 기반 무선 LAN에서 상하항 링크 불공정성 문제를 확인하였다. 특히, 다중 속도 AP 기반 무선 LAN에서 상하향 링크 불공정성 문제와 다중 속도 운용 상의 수율 저하 현상이 동시에 발생하는 현상에 대한 결과를 얻었다.
다음으로 다중 전송 속도 운용 상의 수율 저하 현상을 해소하는 방안에 대한 연구를 수행하였다. 수율 개선과 단말 간의 공정성 문제를 함께 고려하는 방법으로 비례 공정 (PF, proportional fairness)원칙을 무선 LAN에 적용하는 기법을 제안하였다. 무선 LAN이 비례 공정하도록 하기 위하여 개별 단말이 공유 매체를 성공적으로 점유한 시간이 동일하도록 한다. 전송 속도를 고려하여 단말의 접속 기회를 조절하는 방법을 제안하였다. 단말들이 서로 다른 접속 기회와 전송속도를 가지는 환경을 분석하기 위하여 보다 일반적인 무선 LAN 분석기법을 제안하고, 성능 평가와 개선 연구를 수행하였다. 제안하는 방법으로 비례 공정 원칙을 만족하는 무선 LAN을 실현하였으며, 무선 LAN의 수율 향상과 단말간의 공정성을 함께 고려하였다.
다음으로 AP 기반 무선 LAN에서 상하향 링크에서의 트래픽 처리 상의 불공정 해소를 위한 연구를 수행하였다. 다중 전송 속도 환경도 함께 고려할 수 있도록 하기 위하여 단말들이 서로 다른 접속 기회와 전송 속도를 가지는 AP 기반 무선 LAN 분석 기법을 제안하고 성능 평가와 개선 연구를 수행하였다. AP가 단말들의 수율을 합친 것과 동일한 수율을 가지도록 하는 방안과 AP가 단말들의 접속 시간을 합친 것과 동일한 접속 시간을 가지도록 하는 방안을 제시하였다. 다중 전송 속도 환경에서 단말 간에 비례 공정 원칙을 적용하여 상향 수율을 개선하는 방안과 하향 트래픽에서 수신 단말 간에 비례 공정 원칙을 적용하여 하향 수율을 개선하는 방안을 제시하였다. 상하향 수율 개선 방안과 상하향 공정성 제공 방안을 함께 적용하여 다중 전송 속도의 AP 기반 무선 LAN의 성능을 수율과 공정성 관점 모두에서 크게 개선하였다.
마지막으로 다중 속도, 서비스 품질, 상하향 링크에서의 트래픽 처리 상의 공정성, 시스템의 수율 등을 효과적으로 고려할 수 있는 다중 실체 기반의 MAC 구조를 제안하였다. 새로 제안된 MAC 구조를 AP에 적용하여 다중 전송 속도의 AP 기반 무선 LAN에서 상하향 수율 개선과 상하향 공정성 제공하는 방안을 제안하였다. 다중 실체 기반의 MAC 구조의 기본 속성으로부터 상하향 불공정성 문제가 발생하지 않는 AP 기반 무선 LAN을 실현하였다. 상하향 수율 개선 방안을 함께 적용하여 다중 전송 속도 운용 상의 수율 저하 현상과 상하향 불공정 문제가 함께 해소된 AP 기반 무선 LAN을 구현 할 수 있었다. 기존 MAC 구조를 사용한 무선 LAN 보다 새로 제안된 다중 실체 기반 MAC 구조를 사용한 무선 LAN에서 훨씬 정확하게 상하향 공정성이 달성되었다.
본 학위 논문 연구를 통하여 기존 무선 LAN 환경에서 문제점으로 부각된 다중 속도 운용상의 수율 저하 문제와 상하향 링크에서의 트래픽 처리 상의 공정성 문제를 함께 해결하는 방법을 제시하였으며, 새로 제안된 다중 실체 MAC 구조가 다중 속도, 서비스 품질, 상하향 링크에서의 트래픽 처리 상의 공정성, 시스템의 수율 등을 고려한 차세대 무선 LAN의 공유매체접속제어의 새로운 구조로 될 수 있을 것으로 기대된다.
