In this dissertation, we propose an accurate analytical model for performance analysis of the IEEE 802.11 DCF WLANs with a backoff freezing mechanism. In order to analyze the DCF with the backoff freezing mechanism, we model the backoff process of a station with a Markov chain. The proposed Markov chain models three different types of the backoff operations: choosing a new backoff counter value, freezing a backoff counter, and decrementing a backoff counter. The proposed analytical model also considers the three different types of the previous channel status: idle, busy due to a collision, and busy due to a successful transmission. The transmission probability and the collision probability are dependent on the three types of the previous channel status. Considering the three types of the previous channel status in the model affects the performance measures such as throughput, delay, and several important probabilities including channel busy probability and successful transmission probability. In the proposed analytical model, we also consider a frame retry limit and analyze the throughput and delay performance with and without a frame retry limit. The analytical and simulation results show that the proposed analytical model is very accurate with and without a frame retry limit.
We propose a more general analytical model of IEEE 802.11e EDCA WLANs with a VCH. The proposed model considers a network of n stations, each of which has c queues and one VCH for c different ACs. The proposed model differentiates the CW sizes of c different ACs and considers c-cL high-priority ACs and cL low-priority ACs according to different AIFS values. The proposed model provides c different ACs with differentiated services by using different CW sizes and AIFS values. Based on the proposed model, we analyze the throughput and delay performance of the EDCA with four different ACs and investigate the effect of the VCH with two extreme VCH schemes including the VCH scheme specified in the standard. The analytical result is very accurate, compared with the simulation result for various CW sizes and AIFS values.
As the demand for access to the public wireless Internet services in hot spot areas increases, AP-based infrastructure mode WLANs have been deployed rapidly. Although the PCF is designed for infrastructure network configurations, the PCF is not widely deployed due to polling overheads, inefficient polling schemes and implementation complexity. In the infrastructure mode WLANs, the current DCF MAC protocol does not fully reflect the different roles between the AP and stations. It causes an unfairness problem between uplink and downlink services of the AP-based infrastructure mode WLANs.
We propose a QoS enabled AP-based WLAN which supports QoS of downlink and uplink services. To achieve weighted fairness between downlink and uplink services for QoS support, we propose downlink and uplink resource allocation schemes for QoS enabled AP-based WLANs. For resource allocation of downlink and uplink to achieve the weighted fairness, we propose adjustment schemes of transmission chances and transmission durations at the medium accesses by an AP and multiple stations. In the proposed resource allocation schemes, we control three types of access parameters as minimum contention window sizes, maximum contention window sizes, and retry limits for adjustment of transmission chances of the AP and stations. For adjustment of transmission durations of the AP and stations, we propose a fragment burst scheme using fragment thresholds and an adjustment scheme of payload sizes and TXOPs. To analyze the proposed resource allocation schemes, we propose an analytical model of downlink and uplink resource allocation of QoS enabled AP-based WLANs. Based on the proposed model, we analyze the throughput of downlink and uplink with the proposed resource allocation schemes for QoS enabled AP-based WLANs.
The recent WLAN system can support various transmission rates. However, there is a problem that the performance of a multi-rate WLAN system is degraded by the traffic with the lowest transmission rate. The legacy WLAN system allows that each station has an equal transmission opportunity regardless of its transmission rate. It causes the station with low transmission rate to capture the channel for a long time. Thus, the traffic with the lowest transmission rate degrades the total throughput of the multi-rate WLAN system.
We propose a QoS enabled AP-based multi-rate WLAN system which supports QoS of multirate services in downlink and uplink. To support multi-rate services and achieve weighted fairness between downlink and uplink services, we propose a QoS enabled AP-based WLAN system with throughput-based fairness and utilization-based fairness. The proposed AP-based throughput-/utilization-fair WLAN systems adjust payload sizes and contention window sizes of AP and stations to achieve weighted throughput-/utilization-based fairness between downlink and uplink services. The proposed QoS enabled AP-based multi-rate WLAN systems consider the rate control algorithm which adapts the transmission rate based on the RTS/CTS exchange mechanism. To analyze the proposed QoS enabled AP-based multi-rate WLANs, we propose an analytical model of throughput-fair and utilization-fair AP-based multi-rate WLANs. Based on the proposed analytical model, we analyze the throughput of downlink and uplink with the proposed QoS enabled AP-based multi-rate WLANs.
We propose a multiple queue-based AP with scheduling of downlink flows in the proposed QoS enabled AP-based multi-rate WLANs. To achieve a multi-user diversity gain, we propose a scheduling scheme of downlink flows in the proposed multiple queue-based AP using a maximum SNR algorithm and a normalized SNR algorithm. To achieve the multi-user diversity gain in both downlink and uplink, we propose a scheduling scheme of downlink flows with bidirectional flows support. To analyze the proposed multiple queue-based AP with scheduling of flows, we propose an analytical model of throughput-fair and utilization-fair AP-based multi-rate WLANs with scheduling of downlink flows with and without bidirectional flows support. Based on the proposed analytical model, we analyze the throughput of downlink and uplink in the proposed multiple queue-based AP with scheduling of flows in QoS enabled AP-based multi-rate WLANs.
본 박사학위 논문에서는 무선 LAN 프로토콜인 IEEE 802.11 DCF 의 정확한 성능 분석과 기존의 분석 기법 상의 문제점들을 해결하기 위하여 백오프 프리즈 기법을 고려한 새로운 성능 분석 방법과 해석 모델을 제안하였다. 무선 LAN 환경에서의 단말들의 전송 동작과 충돌 현상들은 이전 채널 상태의 세가지 유형인 유휴 상태, 충돌에 의한 무휴 상태, 성공에 의한 무휴 상태에 따라 달라지므로 이전 채널 상태의 세가지 유형을 고려하여 무선 LAN 환경에서 동작하는 단말들의 성능을 분석하였다. 그리고 단말의 백오프 프로세스를 백오프 카운터 값의 선택, 프리즈, 감소의 세가지 백오프 동작으로 나누어 모델링하는 분석 기법을 제안하였다. 또한 프레임 재전송에 대한 한계값을 가지는 경우와 재전송을 계속하는 경우에 대해서도 해석 모델을 제안하였다. 무선 LAN 환경에서 동작하는 단말들의 성능 평가를 위해 수율과 지연 성능을 평가하였고, 시뮬레이션과 기존의 분석 기법들과의 비교를 통해 제안하는 모델의 정확성을 확인하였다.
다음으로 트래픽 클래스의 서비스 품질을 지원하는 무선 LAN 프로토콜인 IEEE 802.11e EDCA의 정확한 성능 분석을 위하여 가상 충돌 처리기를 고려한 새로운 성능 분석 기법과 단말들의 전송과 매체 접근에 관련된 다양한 파라미터들의 변화와 트래픽 클래스의 다양성을 고려한 일반화된 해석 모델을 제안하였다. 트래픽 클래스는 음성 서비스, 영상 서비스, 인터넷 서비스 등의 트래픽 특성에 따라 나누어지며, 제안하는 모델은 단말들의 트래픽 클래스별 전송과 매체 접근에 관련된 파라미터들의 차등화를 통하여 트래픽 클래스간의 차별화된 서비스 품질을 지원함을 확인하였다. 또한 서비스 품질을 지원하기 위한 단말들 내부의 가상 충돌 처리기의 기법들에 따라 가상 충돌 처리기가 무선 LAN에 미치는 영향을 분석하였다. 단말들의 트래픽 클래스별 수율, 지연 성능을 평가하고, 시뮬레이션과 기존의 분석 기법들과의 비교를 통하여 제안하는 모델의 정확성을 확인하고 트래픽 클래스간의 차별화된 서비스 품질을 지원함을 확인하였다.
다음으로 기존 무선 LAN 시스템이 AP 기반 무선 LAN 환경에서 동작할 때 발생하는 상향 링크와 하향 링크의 불공정성 문제를 해결하고, 상향 링크와 하향 링크의 서비스 품질을 지원하는 AP 기반 무선 LAN 시스템과 매체 접근 제어 기법들을 제안하였다. 서비스 품질을 지원하기 위하여 상향 링크와 하향 링크의 가중 공정성을 정의하고 이에 따라 자원을 할당하는 기법들을 제안하였다. 제안하는 기법들은 AP와 단말들의 매체 접근 기회와 시간을 조정함으로써 상향 링크와 하향 링크의 가중 공정성을 얻도록 하였다. 매체 접근 기회를 조정하는 기법들로는 백오프 프로세스와 관련된 최소 경쟁 윈도우 값과 최대 경쟁 윈도우 값, 그리고 재전송 한계값들을 조정하는 기법들을 제안하였다. 매체 접근 시간을 조정하는 기법들로는 프래그먼트 문턱값을 이용한 프래그먼트 버스트 기법과 전송 데이터들의 크기를 조정하는 기법을 제안하였다. 제안하는 상하향 링크의 서비스 품질을 지원하는 AP 기반 무선 LAN 시스템에서의 자원 할당 기법들을 분석하기 위하여, 해석 모델들을 제안하였으며 이를 통하여 상향 링크와 하향 링크의 성능을 분석하였다. 제안하는 해석 모델들을 통하여 제안하는 매체 접근 제어 기법들이 기존 무선 LAN 시스템과 비교시 상향 링크와 하향 링크의 공정성과 서비스 품질을 크게 향상시킴을 보였다.
다음으로 기존 무선 LAN 시스템이 다중 전송 속도로 동작할 때 발생하는 성능 저하 문제를 해결하는 방안을 제안하고, 이를 상하향 링크의 가중 공정성과 함께 고려하여 다중 전송 속도로 운용시 상하향 링크의 서비스 품질을 지원하는 AP 기반 무선 LAN 시스템과 매체 접근 제어 기법들을 제안하였다. 다중 전송 속도로 운용시 수율 기반의 가중 형평성과 시간 기반의 가중 형평성을 제안하고, 이에 따라 상향 링크와 하향 링크의 서비스 품질을 지원하는 기법들을 제안하였다. 제안하는 기법들은 AP와 단말들의 전송 기회와 전송 시간을 조정함으로써 다중 전송 속도 운용시 나타나는 성능 저하 문제를 해결하고, 수율 기반의 형평성과 시간 기반의 형평성에 따라 상향 링크와 하향 링크에 가중 공정성을 얻도록 하였다. 제안하는 매체 접근 제어 기법들은 기존 무선 LAN 시스템과 비교시 상향 링크와 하향 링크의 공정성, 서비스 품질, 수율 성능을 크게 향상시켰다.
마지막으로 제안하는 다중 전송 속도 운용 기반의 AP 기반 무선 LAN 시스템에 무선 채널을 고려한 매체 접근 제어 기법들을 제안하고 이를 위해 다중 큐 기반의 AP를 제안함으로써 기존 무선 LAN 시스템과 비교시 수율 성능을 크게 향상시켰다. 스케쥴링 기법들로는 최대 SNR 기법과 정규화된 SNR 기법을 이용하였으며 제안하는 다중 큐 기반의 AP 는 IEEE 802.11 DCF 기반과 IEEE 802.11e EDCA 기반에서 동작할 수 있도록 제안하였다. 또한 피기백을 통한 양방향 플로우 기법을 함께 고려함으로써 상향 링크에 대해서도 스케쥴링 이득을 얻도록 하여 수율 성능을 향상시켰다. 제안하는 매체 접근 제어 기법들은 기존 무선 LAN 시스템과 비교시 상향 링크와 하향 링크의 공정성과 서비스 품질을 크게 향상시켰으며, 다중 큐 기반의 AP와 양방향 플로우 기법과 스케쥴링 기법들을 통하여 상향 링크와 하향 링크의 수율 성능을 크게 향상시켰다.
본 박사학위 논문은 기존 무선 LAN 시스템이 AP 기반에서 동작할 때 발생하는 상향 링크와 하향 링크의 불공정성 문제를 해결하고, 상향 링크와 하향 링크의 서비스 품질을 지원하는 AP 기반 무선 LAN 시스템과 매체 접근 제어 기법들을 제안하였다. 그리고 기존 무선 LAN 시스템이 다중 전송 속도로 동작할 때 나타나는 성능 저하 문제를 해결하는 방안을 제안하고, 이를 상하향 링크의 가중 공정성과 함께 고려하여 다중 전송 속도로 운용시 상하향 링크의 서비스 품질을 지원하는 AP 기반 무선 LAN 시스템과 매체 접근 제어 기법들을 제안하였다. 제안하는 다중 전송 속도 운용 기반의 AP 기반 무선 LAN 시스템에 무선 채널을 고려한 매체 접근 제어 기법들을 제안하고 이를 위해 다중 큐 기반의 AP를 제안함으로써 기존 무선 LAN 시스템과 비교시 수율 성능을 크게 향상시켰다. 제안하는 매체 접근 제어 기법들은 상향 링크와 하향 링크의 서비스 품질과 공정성, 다중 전송 속도를 지원하고 수율 성능을 크게 향상시킴으로써 무선 LAN 시스템의 차세대 매체 접근 제어 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
