IEEE 802.11 is a successful technology for wireless networks. Wireless LANs (WLANs) based on it have successfully replaced wired access links in recent years. Currently, it is attempted to extend it for multi-hop wireless networks such as ad-hoc networks and mesh networks. As more traffic is delivered over wireless networks, QoS (Quality of Service) support for them becomes an important issue. In single hop WLANs, IEEE 802.11e is a key technique to provide QoS, but there are still arguments for how to apply it for multi-hop wireless networks. In this dissertation, we propose techniques to provide QoS in multi-hop wireless networks.
In wireless networks, AIMD (Additive Increase Multiplicative Decrease) based rate control schemes are used to fairly allocate resources to nodes. Most of these schemes assume that all nodes observe the same channel condition. In most of wireless network topologies, however, nodes may have different channel condition, and consequently channel resources can be allocated to nodes unfairly. To allocate resources to nodes fairly using AIMD based rate control schemes, nodes should be able to reduce their rate synchronously when congestion is occurred. In this dissertation, we propose a contending region based rate control scheme to allocate channel resources to nodes fairly in multi-hop wireless networks. The objective of the proposed scheme is to achieve fairness while maintaining the spatial reuse characteristic of multi-hop wireless networks. Moreover, the proposed scheme narrows the range of contending nodes based on the cause of congestion to improve channel utilization. The proposed scheme is evaluated through extensive ns-2 simulations. It is shown that the proposed scheme allocates resources to contending nodes fairly under asymmetric channel condition and improves the channel utilization.
The Assured Forwarding (AF) service in a differentiated services network offers different levels of forwarding assurance for IP packets. In the wired Internet, the AF service is implemented as a queue management scheme associated with a drop policy in each router. In multi-hop wireless networks, however, queue management in each node is not enough to provide service differentiation globally since resource is shared among neighboring nodes. Hence, several studies for the AF service in wireless networks have proposed to manipulate the contention window size to provide service differentiation. The contention window size based differentiation scheme provides the AF service by transmitting packets in a higher class with a smaller contention window. However, since network congestion in multi-hop wireless networks causes packet losses at the link layer, the contention window size based differentiation scheme is not sufficient to provide the AF service. In this dissertation, we propose a rate control scheme to control load on the shared channel by adjusting sending rate according to the estimated channel state and the amount of AF traffic. We further propose a RTS retry limit adaptation scheme for loss rate differentiation at the link layer. Through extensive simulations, we show that proposed schemes are effective to differentiate forwarding assurance in multi-hop wireless networks.
IEEE 802.11 표준에 기반을 둔 무선 랜은 성공적으로 유선 액세스 망을 무선 액세스 망으로 바꾸어 왔고, 현재는 무선 메쉬 네트워크나 애드혹 네트워크와 같은 멀티 홉 무선 네트워크를 이용하여 무선 액세스 망을 확장하려는 움직임이 점차 일고 있다. 멀티 홉 무선 네트워크 기술의 발달과 사용자 수의 증가는 많은 양의 트래픽이 멀티 홉 무선 네트워크를 통해 전송되도록 하였고, 따라서 사용자의 다양한 요구 조건을 만족시키기 위한 QoS (Quality of Service) 보장이 중요한 문제가 되고 있다.
본 논문에서는 멀티 홉 무선 네트워크에서 QoS 보장에 관한 연구를 수행하였다. 첫째, 멀티 홉 무선 네트워크에서 경쟁 노드들 사이에 공평하게 자원을 할당할 수 있는 방법을 제안하였다. 무선 네트워크에서는 비대칭 채널 환경의 특성으로 인해 같은 자원을 공유하는 링크 사이에 불공평한 자원 할당이 일어나게 된다. 비대칭 채널 환경을 갖는 무선 네트워크에서 AIMD(Additive Increase Multiplicative Decrease) 기반의 전송률 제어 방법을 이용하여 링크 간 공평한 자원 할당을 하기 위해서는 네트워크 혼잡 발생 시 경쟁 링크 사이에 전송률 감소가 동시에 일어날 수 있어야 한다. 하나의 자원만을 공유하는 무선 랜 환경에서는 동시 다발적인 전송률 감소를 위하여 혼잡 발생 시 시그널을 이용하여 네트워크 전체를 jamming하는 방법이 사용되고 있다. 하지만 멀티 홉 무선 네트워크에서는 spatial reuse의 특성으로 인해 링크들이 지역별로 다른 자원을 사용하게 되고, 따라서 동시 다발적인 전송률 감소를 위해 네트워크 전체를 jamming하는 것은 혼잡과 관련 없는 링크들까지 전송률을 감소하게 하여 자원의 낭비를 가져오게 된다. 본 연구에서는 멀티 홉 무선 네트워크의 spatial reuse 특성을 유지하면서 AIMD 기반의 전송률 제어 방법을 이용하여 링크 간 공평한 자원 할당을 할 수 있는 방법을 제안하였다.
둘째, 멀티 홉 무선 네트워크에서 플로우 사이에 대역폭을 차별화하기 위한 방법을 제안하였다. 유선 네트워크에서의 대역폭 차별화를 위한 방법으로는 Assured Forwarding (AF) 서비스가 많이 알려져 있다. AF 서비스에서는 패킷 마킹과 네트워크 혼잡시 네트워크 계층의 큐에서 발생하는 손실률 차별화를 통해 플로우의 대역폭을 차별화하고 있다. 하지만 무선 네트워크에서는 주변 노드들이 하나의 채널을 공유하기 때문에 플로우의 대역폭을 차별화하기 위해서는 네트워크 계층에서의 대역폭 차별화뿐만 아니라 링크 계층에서의 대역폭 차별화가 필요하다. 또한 멀티 홉 무선 네트워크에서는 네트워크 혼잡 시 큐에서뿐만 아니라 링크 계층에서도 패킷 손실이 발생하게 된다. 본 연구에서는 멀티 홉 무선 네트워크에서의 플로우 대역폭 차별화를 위해 링크 계층의 대역폭 할당을 위한 전송률 제어 방법과 네트워크 혼잡 시 링크 계층에서 발생하는 패킷 손실률을 차별화하기 위한 방법을 제안하였다.
