The standard solution to the problem of radio link instability is called link adaptation (LA), and is applied in many existing wireless networks. LA is the process of adjusting the wireless link parameters, following the changes of the radio channel conditions so that an optimal link quality is achieved. The controlled link parameters vary from system to system. In addition, the idea behind cross-layer interaction (CLI) is to integrate the resources and information available in the different fractures and to create a system that can be highly adaptive by sharing state information between different processes or modules in the system. Particularly, in this thesis, we are interested in interactions between the physical (PHY) and medium access control (MAC) layers through theoretical link quality acquisition (LQA) for wireless channels. Accordingly, this thesis proposes LA technologies using theoretical LQA and investigates their performance in various multiple-input multiple-output (MIMO) based networks in order to maximize the system throughput in tandem with stabilizing the link condition.
First of all, we introduce a new LA approach called the adaptive modulation, coding, and spatial mode (AMCS) scheme for MIMO bit-interleaved coded orthogonal frequency division multiplexing (MIMO BIC-OFDM) systems. The AMCS technique can provide both minimal performance degradation and significant throughput gain by controlling the spatial streams. With this technique, we can derive a simple and accurate closed-form expression of an instantaneous bit error rate (I-BER). Based on the I-BER, the proposed AMCS scheme chooses an appropriate modulation, coding, and spatial mode (MCS) type that improves the system performance while satisfying the quality of service (QoS) requirement. A simplified MCS type search method is also proposed, which allows the receiver to effectively select a MCS type and then send it back to the transmitter by using only a small amount of information bits. The simulation results confirm the superiority of the proposed AMCS approach over conventional LA schemes in trading high-throughput for reduced complexity.
Second, a novel LA mechanism, dubbed PHY-supported frame aggregation (PSFA), has been proposed over IEEE 802.11 networks, and its performance has been analyzed. The PSFA technique is based on CLI that enables joint optimization of various parameters between the PHY and MAC layers. Since an aggregate MAC service data unit (A-MSDU) contains multiple subframes with a single sequence number, it has a major drawback in environments with high error rates. Our approach is enabled through a new packet error rate (PER) analysis for MIMO BIC-OFDM systems. The PER expression is used to efficiently estimate the link quality given the channel conditions and system parameters, and most importantly, it facilitates parametric study of CLI. The performance of the A-MSDU strongly depends on the choice of parameters such as frame size, modulation level, coding rate, and spatial mode. In the PSFA algorithm, we derive a rule for selecting the parameters such that the MAC throughput is maximized. It is shown analytically and verified using Monte Carlo simulations that this choice of parameters improves the throughput performance and also assures QoS requirements compared to other conventional algorithms.
Finally, we extend the study of LA into the efficient random access schemes that provide a better set of CLIs by taking into account the capability of multi-packet reception (MPR) in a multi-cell MIMO network. Cloud radio access (CRA), in which baseband processing is migrated to a central unit (the ``cloud"), enables an effective implementation of multi-cell MIMO that has many advantages of simplifying the development and management of base stations (BSs). CRA is a promising solution for various wireless networks, including cellular systems and wireless local area networks (WLANs). Most of the previous theoretical work on this technology has focused on the advantages at the PHY layer, typically in terms of capacity. In this thesis, recognizing the importance of the random MAC protocol for WLANs and cellular systems, the throughputs of a simplified framed ALOHA protocol and a dynamic queue protocol (DQP) are studied for the CRA network. A lower bound on the throughput is derived by a PER analysis which reflects the MPR capabilities afforded thanks to the deployment of CRA. The lower bound is based on error exponent analysis. Numerical results compare the performance obtained with and without CRA.
통신 링크가 불안정할 경우 이를 해결하기 위한 근본적인 방법은 적응형 전송 (LA: Link Adaptation)이 될 수 있으며, 이러한 개념은 많은 무선 통신 시스템에서 활용되고 있다. 특히, 물리계층의 링크 상태가 시스템 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 링크 상태를 인지 (LQA: Link Quality Acquisition)하여 상위 계층에서 이를 반영하는 것은 전체 시스템 성능 향상에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한 최근에 다양한 다중 안테나 (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) 기술이 실현됨에 따라서, 이를 적응형 전송에 활용하고, 상위 계층에서도 다중안테나의 효과를 반영할 필요성이 대두되게 되었다. 본 학위 논문에서는 계층간 상호작용 (CLI: Cross-Layer Interaction)을 이용한 적응형 전송의 중요성을 다양한 네트워크 환경에서 실험 결과를 통하여 보여준다. 이를 위하여 다양한 네트워크 환경에서 이론적으로 물리 계층의 상태를 인지 (Theoretical LQA) 할 수 있는 방법을 제안한다. 고려되는 적응형 전송은 Adaptive Rate Control, Frame Aggregation, 그리고 Adaptive MAC Protocol를 포함한다. 본 연구는 기존의 계층화된 아키텍처의 한계를 극복하기 위하여 물리 (PHY: Physical) 계층과 매체접근제어 (MAC: Medium Access Control) 계층 사이의 상호작용을 고려하였다는 점에서 큰 의미를 갖는다.
우선, 단일 링크 환경에서 링크 상태를 파악하고 파라미터를 최적화하는 방법을 제안한다. 현재 개발되었거나 개발중인 무선 통신 시스템으로는 IEEE 802.16e/m, 3GPP LTE 및 LTE-Adavanced, 그리고 IEEE 802.11n/ac가 있다. 이러한 시스템들은 기본적으로 MIMO BIC-OFDM 방식을 채택하고 있으며, MIMO BIC-OFDM 방식은 시스템 표준에 핵심적 요소 기술로서 중추적인 역할을 하고 있다. 또한 이러한 통신 시스템들은 모두 고용량의 데이터 전송을 위하여 AMC (Adaptive Modulation and Coding)와 같은 Adaptive Rate Control 기법을 채택하고 있다. 본 연구에서는 MIMO BIC-OFDM 시스템에서 보다 개선된 Adaptive Rate Control 방법을 제안한다. 우선, MIMO BIC-OFDM 시스템에서 물리계층의 링크 상태를 분석하기 위한 방법으로 채널 상태 정보와 적용하는 파라미터 사이의 연관 함수를 제공하는 순시적인 비트오류확률 (BER: Bit Error Rate) 측정 방법을 제시한다. 제안된 이론적 링크 상태 인지 방법으로 채널 환경에 적합한 전송 파라미터를 결정할 수 있다. 새롭게 제안된 AMCS (Adaptive Modulation, Coding, and Spatial mode) 기법은 AMC 기법에서 고려하는 변조도나 채널 부호화율 뿐만 아니라 다중 안테나 제어를 통해, 신호대 잡음비가 낮은 영역에서도 목표로 하는 비트오류확률을 유지할 수 있는 장점이 있다. 적용하는 파라미터들이 많아 질수록 보다 효과적으로 환경에 잘 대처할 수 있는 장점이 있지만, 이에 반하여 전송 단으로 피드백 해야 할 정보가 증가할 뿐만 아니라, 전송 단에서 파라미터들을 어떠한 수준으로 적용하느냐에 따라서 시스템의 복잡도가 증가할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 시스템 성능 향상에 필요한 파라미터들을 효율적인 방식으로 변화시켜, 저 복잡도로 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 알고리즘을 제안한다.
다음으로, 무선랜 시스템에서 Frame Aggregation을 최적화하기 위한 적응형 전송 방법을 제안한다. 무선랜의 국제 표준인 IEEE 802.11n에 따르면, 물리 계층의 데이터 속도에 대한 매체접근제어 계층의 효율을 높이기 위한 기술로 A-MSDU (Aggregate-MAC Service Data Unit)를 채택하고 있다. 일반적으로 무선랜에서 사용되는 MAC 프로토콜은 오버헤드로 인하여 매체접근제어 계층의 전송률이 물리 계층의 데이터 속도의 50\%에도 미치지 못하는 것으로 알려져 있다. 하지만 열악한 무선채널 환경에서 A-MSDU 방식을 사용할 경우, 패킷 손상으로 인하여 그 효용성을 잃는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 길쌈 부호기를 사용하는 무선랜 시스템의 패킷오류확률 (PER: Packet Error Rate)를 구하여 링크 상태를 정확히 판단하고, 측정된 패킷오류확률 정보를 기반으로 물리계층의 다양한 전송 파라미터를 변화시키고 매체접근제어 계층에서 A-MSDU의 길이를 최적화 하는 방법을 제공함으로써, 특정 어플리케이션이 요구하는 QoS (Quality of Service)를 보장하는 PSFA (PHY-Supported Frame Aggregation) 알고리즘을 제안한다. 이는 기존 무선랜 시스템에서 주로 사용되는 적응형 전송 방법인 ARF (Auto Rate Fallback)이나 Look-Up Table을 이용하는 방식과 비교하여 QoS를 보장하고 높은 전송 효율을 제공할 수 있다.
마지막으로, 다중 셀 다중 사용자 환경의 다중 링크 시스템에서 매체접근제어 스케줄링을 통한 적응형 전송 방법을 제안한다. 최근 다중 셀 다중 사용자 환경의 무선 접속망 기술은 네트워크 클라우드 (CRAN: Cloud Radio Access Network)의 도입을 통한 중앙 집중 접속망을 가능하게 하여, 하나의 장비에서 수백 개의 RRH (Remote Radio Head)와 연동하여 망을 운영할 수 있게 되었다. 따라서 업 링크의 경우에서는 셀 협력을 통한 Joint Decoding이 가능해져 다중패킷수신 (MPR: Multi-Packet Reception) 능력을 향상 시킬 수 있다. 하지만 네트워크 클라우드는 기본적으로 정보 공유를 위한 이상적인 백홀 (Backhaul) 망을 가정하며, 백홀을 통한 정보 공유에 심각한 지연문제가 발생할 수 있다. 제안된 연구에서는 다중 셀 다중 사용자 환경의 모델링을 통하여 물리계층의 이론적인 패킷오류확률을 유도하고, 이를 반영한 Adaptive MAC Protocol 이용하여 최적의 MAC 파라미터를 결정함으로써 지연을 최소화 하고 전송 효율을 최대화 할 수 있는 방법을 제안한다.
