IEEE 802.11 wireless local area networks (WLANs) have been widely deployed at many places, such as offices, homes, airports due to low-cost and high data transmission rates. Among various random access networks (RANs), even thoughWLANs are operated based on carrier sense multiple access (CSMA) scheme with collision avoidance based on a binary exponential backoff (BEB) algorithm, collisions may occur. This collision problem is one of critical factors that degrade the system performance. There have been several studies to improve the collision problem for the WLANs. Among these, multi-packet reception (MPR) can significantly mitigate the above collision problem effectively and one of possible solutions for enabling MPR is a multi-user multi-input multi-output (MU-MIMO) technique.
The MIMO transmission techniques can provide multiplexing gain and diversity gain. Recently, these MIMO techniques have been widely used by many systems, such as 3GPP LTE, 802.16e/m, and 802.11n. With a MIMO technique, several data streams can be transmitted simultaneously, which is called spatial multiplexing. If these multiple data streams are originated from a single transmitter, it is called a single-user MIMO (SU-MIMO) scheme. If the transmitted data streams are originated from multiple transmitters, it is called an MU-MIMO scheme for comparison. The SU-MIMO scheme is adopted for 802.11n WLAN systems, while the MU-MIMO scheme which can support MPR in uplink WLANs has not been adopted in the IEEE 802.11 standard yet. In this dissertation, we propose an MU-MIMO transmission technique in uplink WLANs and compare the throughput performance of the proposed scheme with that of the conventional IEEE 802.11a/g/n WLANs. Our analysis and numerical results show that the adoption of the proposed MU-MIMO scheme can efficiently improve the system throughput performance, especially for offered traffic with small-sized packets. Since the current medium access control (MAC) layer parameters are designed for conventional WLANs in which only a single packet reception (SPR) model is assumed, we analytically find the suitable MAC layer parameters for the MPR-capable WLANs. On the other hand, since the MU-MIMO technique is only proposed in uplink, it induces an uplink and downlink unbalancing problem. Thus, we propose several uplink and downlink balancing schemes to the MU-MIMO based WLANs and analyze the performance.
In addition to the throughput performance, we also investigate the stability and queueing delay analysis of the RANs. As a simplified version of the CSMA/CA with BEB adopted by WLANs, a p-persistent CSMA scheme is firstly considered. Using the tool of stochastic dominance, we analyze the stability region of the p-persistent CSMA systems with MPR and, then, show an approximate model to analyze the queueing performance. Extending the queueing analysis for the p-persistent CSMA scheme, we propose a 3-dimensional discrete-time Markov Chain (DTMC) model to analyze the queueing performance of the WLANs with MPR.
랜덤 액세스 기반의 IEEE 802.11 기반의 무선랜은 충돌 방지 기법으로 반송파 감지 다중접속 방식 (CSMA/CA)에 기반한 매체접근제어 프로토콜을 채용하고 있으며 그 충돌 방지 기법으로는 랜덤 백오프를 사용하고 있다. 하지만 랜덤 액세스의 특성상 사용자들 간의 충돌은 불가피하게 발생하게 된다. 이러한 충돌을 줄이기 위한 다양한 기술이 존재하며 그 중 다중 패킷 수신 기술은 이러한 충돌을 완화할 수 있는 하나의 효율적인 방법으로 간주되고 있다. 이 논문에서는 다중 패킷 수신 기술로 다중 사용자 다중 안테나 (MU-MIMO) 기술을 채택할 때의 성능 분석을 중점적으로 다루고 있다.
MIMO기술은 송신을 위한 다양성과 다중성을 지원하기에 많은 무선 통신시스템에 채택되고 있다. 그 중 단일 사용자 다중 안테나 (SU-MIMO) 기술은 물리계층에서의 전송율을 현저히 높일 수 있는 반면 MU-MIMO 기술은 매체접근제어 계층에서의 충돌을 줄이는 동시에 다중 패킷 전송을 지원할 수 있다. 현재 SU-MIMO 기술은 IEEE 802.11n 무선랜 표준에 채택되었지만 MU-MIMO 기술은 채택되지 않고 있기에 상위 두 가지 기술에 기반한 무선랜의 성능비교가 필요하게 된다.
이 논문에서는 상향링크 무선랜 시스템에서의 MU-MIMO 기술 기반의 충돌문제 해결기법을 제안하고 기존의 무선랜 시스템과 성능비교를 진행하였다. 수학 및 수치적 분석을 통해 제안하는 방법은 기존의 무선랜 성능을 현저히 향상 시킬 수 있음을 검증하였으며 특별히 작은 사이즈의 패킷 통신 환경과 많은 사용자가 있는 환경에서 더욱 효율적임을 확인하였다. 또한 지금 표준화 되어 있는 무선랜은 단일 패킷 통신을 기반으로 설계되었기에 다중 패킷 통신을 지원 하는 매체접근제어 계층의 파라미터들을 재설정 할 필요가 있게 된다. 이 논문에서는 수학적으로 그 최적의 파라미터들을 분석하였다. 그리고 제안한 방법은 상향링크에서는 효율적이지만 하향링크의 성능 저하를 가져올 수 있기에 추가적으로 상향 및 하향링크의 불균형 문제를 분석하고 해결방법도 제안하였다.
이 논문에서는 성능 분석으로는 랜덤 액세스 네트워크의 작업량 분석뿐만 아니라 시스템의 안정성 및 평균 대기시간 분석도 진행하였다. 먼저 무선랜의 매체접근제어 방식보다 간단한 p-persistent CSMA 방식을 고려하였다. 확률적 지배라는 수학적인 기술을 이용하여 다중 패킷 통신을 지원하는 p-persistent CSMA 시스템의 안정성 및 평균 대기시간을 분석하였다. 그리고 이 분석을 확장하여 무선랜 시스템에 적합한 3차원 이산시간 마르코프체인 모델을 제안하고 그 대기시간을 분석하였다.
