With the growth of mobile devices and smart devices, the demand of high bandwidth in wireless networks is increasing. To increase the throughput, the IEEE 802.11 standard specifies multi-rate capability, and several rate adaptive MAC (Medium Access Control) protocols have been proposed for the usage of multi-rate capability. However, these solutions are insufficient to further improvement due to only increasing the direct link performance. Therefore, cooperative communication has been proposed to additionally improve network performance. In cooperative communication, packets are transmitted via a relay node at high data rate instead of being directly transmitted to a destination at low data rate. In this dissertation, we propose cooperative communication protocols for mobile wireless networks.
First, we present the MAC protocol, called ECCMAC (Enhanced Cooperative Communication MAC) based on RTS-CTS, which fully utilizes cooperative communication and network coding. With cooperation, ECCMAC transmits data by way of the relay node at higher rate than direct transmission rate. For bidirectional flows, ECCMAC exploits network coding to improve network throughput. We consider that wireless links have property such as asymmetric data rate in real wireless networks. Using theoretical analysis, simulation, and simulation with measured data, we shows that ECCMAC considerably enhances the network performance.
Second, we propose a new cooperative communication scheme using partition scheme for WLANs (Wireless Local Access Networks) based on the IEEE 802.11. In WLANs, frequent collisions and performance anomaly limit the benefits of cooperative communication and the performance of WLANs. To reduce collisions and resolve performance anomaly, we divide nodes into several partitions based on the data rate. In addition, we propose a cooperative communication scheme using a relay partition to improve the throughput of nodes with low data rates and to achieve robust cooperative transmission. The proposed scheme is evaluated through extensive simulation and simulation with measured data, and results show that our scheme improves WLAN performance.
In this dissertation, in addition to cooperative communication, we consider network coding, asymmetric data rate, partitioning nodes, and time fairness. For a realistic evaluation, we perform simulations with measured data in real wireless networks, and two above proposed approaches show better performance than the IEEE 802.11. As this results, we believe that this dissertation provides solutions for supporting high wireless bandwidth.
모바일 디바이스와 스마트 디바이스의 성장으로 인해 무선 네트워크의 높은 대역폭(bandwidth)에 대한 수요가 증가하고 있다. 네트워크 처리량(throughput)을 증가시키기 위해서 IEEE 802.11 표준에서는 멀티 레이트를 명시하고 있으며, 여러 레이트 적응(rate adaptive) MAC 프로토콜들이 멀티 레이트 사용을 위해 제안되었다. 그러나, 기존의 방법은 직통 링크(direct link)의 성능만을 향상시키기 때문에 추가적인 성능 향상을 이끌어 내기에는 부족한 실정이다. 따라서 추가적으로 네트워크 성능을 향상시키기 위해서 협력 통신이 제안되었다. 협력 통신에서는 패킷들이 낮은 데이터 레이트로 수신자에게 직접 전송되는 대신 릴레이 노드를 통해서 높은 데이터 레이트로 전송된다. 본 학위 논문에서는 모바일 무선 네트워크를 위한 협력 통신 프로토콜들을 제안한다.
첫번째로, 본 연구에서는 협력 통신과 네트워크 코딩을 최대로 활용하기 위해서 RTS-CTS 기반의 ECCMAC(Enhanced Cooperative Communication) 프로코톨을 제안한다. 협력 통신을 사용하는 ECCMAC은 직접적인 전송 레이트보다 더 높은 레이트로 릴레이 노드를 통해 데이터를 전송한다. 양방향 플로우를 위해서 ECCMAC은 네트워크 코딩을 활용해 네트워크 처리량을 높이고 있다. 게다가, 이 연구는 실제 무선 네트워크에서의 비대칭 데이터 레이트와 같은 특성을 고려하고 있다. 이론 분석과 시뮬레이션, 측정한 데이터를 사용해서 본 연구에서는 ECCMAC이 네트워크의 성능을 크게 향상시킨다는 것을 보이고 있다.
두번째로, 본 연구에서는 IEEE 802.11 기반의 무선랜을 위해서 파티셔닝 기법을 활용하는 새로운 협력 통신 기법을 제안하였다. 무선랜에서 나타나는 빈번한 충돌(collision)과 성능 이상 현상(performance anomaly)은 무선랜의 성능과 협력 통신의 이득을 제한한다. 충돌을 줄이고 성능 이상 현상을 해결하기 위해서 본 연구에서는 데이터 레이트를 기반으로 노드들을 여러 파티션으로 분리해 통신한다. 게다가, 본 연구에서는 낮은 데이터 레이트를 사용하는 노드들의 성능을 향상시키고 강인한 협력 통신(robust cooperative transmission)을 달성하기 위해서 하나의 릴레이 노드를 사용하는 대신 릴레이 파티션을 사용하는 협력 통신 기법을 제안하였다. 제안된 방안은 시뮬레이션과 측정 데이터를 사용해서 평가되었고, 무선랜의 성능 향상을 확인할 수 있다.
본 학위 논문에서는 협력 통신 외에도 네트워크 코딩 기법과 비대칭 데이터 레이트, 노드 파티셔닝, 타임 형평성(time fairness)을 고려하고 있다. 현실적인 성능 평가를 위해서 본 연구에서는 실제 무선 네트워크에서 측정한 데이터를 활용해 시뮬레이션을 수행하였다. 위에서 제안된 두 방안들은 IEEE 802.11보다 높은 성능을 보이고 있다. 이 결과로서 본 학위 논문은 높은 무선 대역폭 제공을 위한 방안을 제시하고 있다고 할 수 있다.
