Wireless local area network (WLAN) is widely used in many ways because of its variety of usage and low cost/high efficiency characteristic. However, due to its characteristics, it is densely deployed which causes many forms of overlapped basic service sets. In the current IEEE 802.11 standard activities, their main focus was on improving link throughput, which does not fully reflect the various network features. In this thesis, we will look at some current problems of WLAN deployments, and examine the trends of existing research to find solutions, and present proposed algorithms that enhance the spectral efficiency of the WLANs.
The densely deployed WLAN is categorized into two scenarios; single cell and multi-cell scenario, where
a cell is composed of an access point (AP) and a number of nodes.
For the single cell scenario, two communication types are considered in which a node transmits to an AP directly and through the chain of nodes, in other words, one hop transmission and multi-hop transmission.
In one hop transmission environment, we develop a joint scheduling and power allocation algorithm
which utilizes smart antenna and non-orthogonal multiple access scheme.
For the multi-hop transmission environment, a distributed bottleneck alleviation scheme which
gives more transmission opportunities to the near node from the AP is proposed.
In multi-cell WLAN environment, the interference from other cells seriously degrades the throughput
performance of users in the networks. We investigate state-of-the-art technologies to increase per-node throughput in dense WLANs and especially analyze dynamic sensitivity control and
transmit power control to increase spatial efficiency for a typical cases of dense WLAN deployment.
Furthermore, in a densely deployed multi-cell environment,
the capacity degradation of users extremely decreases. We have found another key technologies
to overcome this degradation which are smart antenna system and non orthogonal multiple access scheme.
스마트폰, 스마트패드, 노트북과 같은 기기에 주로 사용되던 무선랜 시스템(근거리 무선통신망)은 최근들어 스마트카메라, 스마트티비 등 사물인터넷을 위한 기반기술로서 점점 설치 영역이 확대되고 있다. 단순한 인터넷 접속에서 벗어나, 기기간 데이터전송, 고화질 비디오 스트리밍, 원격으로 집안의 기기들을 조작하는 스마트홈 시스템 등 무선랜 시스템 기반의 다양한 서비스로 그 사용범위가 급격히 확대되고 있다. Wi-Fi라고 불리는 무선랜 시스템은 현재 IEEE 802.11에서 그 표준화를 담당하고 있으며, 현재 가장 널리 사용되고 있는 비인가대역인 2.4GHz 주파수 대역에서 IEEE 802.11n 표준을 채택한 제품은 최대 600Mbps의 속도까지 지원한다.
무선랜 시스템은 쓰임새가 다양하고, 설치비용이 낮고, 효율성이 높아 다양한 용도로 널리 사용되고 있다. 하지만, 이러한 특성 때문에 설치되는 무선랜 기기들의 숫자는 기하급수적으로 증가하고 있으며, 점점 밀집되어 존재하는 현상이 나타나게 되었다. 기존 IEEE 802.11 표준에서는 다양한 대역에서의 단일 링크 전송률을 향상시키는 방향으로 표준화가 진행되었기 때문에, 다양한 네트워크의 특성을 충분히 반영하지 못하는 결과를 가지고 왔다. 표준화 단체에서도 이를 인지하고 IEEE 802.11ax 태스크 그룹을 만들어 밀집된 상황에서 기존 표준대비 4배 이상의 전송률 향상을 위한 표준화가 진행되고 있다.
본 논문에서는 무선랜 기기의 증가에 따른 밀집된 무선랜 네트워크의 특성을 살펴보고, 밀집된 무선랜 환경에서의 주파수 효율 향상을 위한 기술을 제안하여 제안된 기술이 밀집된 무선랜 환경에서 이득을 얻을 수 있음을 보였다. 우선, 단일셀 상황에서 단일홉, 다중홉 전송 시 사용자 수의 증가에 따른 주파수 효율 향상방안에 대한 연구를 수행하고, 다중셀 상황으로 확장하여 실제 밀집된 무선랜 환경을 구축하고 기존 표준 대비 제안하는 방식이 이득을 얻을 수 있음을 확인하였다.
첫째로, 단일셀에서 모든 사용자들이 Access Point (AP) 의 전송범위 내에 존재하는 단일홉 전송을 고려하였다. 방향성이 있는 방사패턴을 가지는 스마트 안테나 시스템이 적용된 상황에서 비직교 다중접속 방식을 이용한 스케줄링과 자원할당 방법을 제안하였다. 비직교 다중접속 방식을 이용하여 하나의 주파수 대역에서 동시에 두 명의 사용자가 서비스를 받을 수 있도록 최적 전력할당에 대한 연구를 수행하였고, 다수의 빔패턴을 가지는 상황에서 빔과 두 명의 사용자를 동시에 선택할 수 있는 방안을 제안하여 사용자의 수가 급증하는 상황에서도 평균 30\%의 주파수 효율 향상을 얻음을 보였다.
둘째로, 단일셀 상황에서 사용자들이 서로의 패킷을 전달하여 AP에 전송을 수행하는 다중홉 전송 상황을 고려하였다. 다중홉 전송을 수행할 때, 사용자의 수가 많아지게 되면, AP의 근처에 있는 사용자들은 심한 병목현상을 겪게 된다. 기존 표준에서는 모든 사용자가 동등한 경쟁기회를 얻게 되어 이러한 병목현상을 피할 수 없었지만, 본 연구에서는 전달해야하는 패킷이 많은 사용자, 즉, AP에 가까운 사용자들이 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 다중 채널 접근 방식을 제안하였다. 일자형, 트리형, 그리고 임의의 네트워크 구성에 대하여 제안하는 방식이 평균 20\%의 주파수 효율 향상을 얻음을 확인하였다.
셋째로, IEEE 802.11 표준에서 정의하는 무선랜이 현실에서 밀집되어 설치되는 다중셀 상황의 구체적인 예에 대하여 논의하고 그것을 해결하기 위한 기술의 흐름에 대하여 살펴보았다. 기존에 다양한 밀집된 무선랜의 형태가 존재함을 확인하고, 이를 해결하기 위한 기술로서, 비가역대역에서의 LTE 와의 연동(LTE-LAA), 비직교 다중 접속, 동적민감도 및 전송전력 제어 방안에 대하여 조사하여 살펴보았고, IEEE 802.11ax 태스크 그룹에서 정의한 밀집된 무선랜 네트워크 상황에서의 동적민감도 및 전송전력 제어가 주파수 효율의 향상을 가져옴을 확인하였다.
넷째로, 다중셀 상황에서 스마트 안테나 시스템과 비직교 다중접속 방안을 이용한 주파수 효율향상 방안을 제안하였다. AP의 구성이 고정되어 있는 상황에서, 사용자 수가 증가함에 따라 셀 내부의 경쟁이 심해질뿐더러, 외부의 다른셀에서 오는 간섭도 존재하게 된다. 본 연구에서는 다른 셀에서 오는 신호의 간섭을 고려하고 셀 내부의 사용자 사이의 공평성을 동시에 고려하여 셀 단위의 스케줄링 및 자원할당을 수행하는 방안을 제안하였다. 또한, 실내 핫스팟 상황에서 제안하는 방안이 평균 40\% 의 이득을 보임을 확인하였다.
