These days, increasing demands of mobile devices cause the surge of wireless traffic. Data transmission requests are frequently generated in some areas such as airport, shopping center, apartment complex and office building. At these areas, numerous access points ( AP ) are deployed with no planning in the limited space. Dense wireless local area network ( WLAN ) refers the situation where lots of uncoordinated APs are deployed. Also, more stations ( STA ), which generate huge traffic, are connected to each APs in the restricted space. Because frequency resource approved for WLAN is limited, dense WLAN system cannot accommodate all of transmission requests. In such a case, collisions between nodes, which contend for channel assignment simultaneously, are frequently generated. Excessive competitions occupy frequency resource and disturb neighboring transmissions. It results in the degradation of network throughput. Improving network performance is a significant problem of next generation WLAN protocol.
To resolve this problem, various researches are under progress. Orthogonal frequency division multiple access ( OFDMA ) based carrier sense multiple access with collision avoidance ( CSMA/CA ) protocol is one of promising techniques for dense WLAN. In OFDMA system, the channel is divided as some narrow sub-channels. Because nodes can know sub-channel states concurrently, nodes can determine whether each sub-channel is available or not. Collisions among nodes will be reduced because nodes have more alternatives of resource. Although there exist some mechanisms that adopt OFDMA based CSMA/CA, most of them are not useful in uncoordinated scenario. They requires the centralized control to improve WLAN throughput in densely deployed situation.
In this paper, a distributed OFDMA based CSMA/CA scheme is suggested. To extend channel access timings among nodes, the idea of p-persistent is applied. Channel information is reflected in $\gamma$ values which assist making some decision. Two permissions are assigned to transmission intended nodes: at the procedure of channel selection and the beginning of data transmission. With proposed algorithm, the opportunity of channel access is properly distributed and excessive contention between nodes are prevented. These lead enhancement of throughput degradation problem at dense WLAN. By using the penalty factor, proposed method adjusts transmission probability considering interferences which are caused from other transmissions. To find optimal penalty factor that can maximize network throughput, nonlinear programming is employed.
Analysis to find the probability that a STA can transmit successfully in the time slot and the average throughput of a STA are studied. Detailed optimization process and effects of programming are also discussed. Simulation results show proposed method can improve performance of dense WLAN. One of conventional research that uses two dimensional backoff scheme for OFDMA related CSMA/CA protocol is compared with the proposed method. As a result, we can confirm that our proposition represents more ability of improving performance in uncoordinated dense WLAN environment.
최근 스마트폰, 노트북, 타블렛 PC 등 다양한 모바일 장비들이 개발되었으며 대부분의 사람들이 이러한 장치들을 흔히 사용하고 있다. 이러한 현상으로 인해 무선랜을 이용하는 트래픽이 급격히 증가하는 추세가 계속되고 있다. 공항, 캠퍼스, 대형 쇼핑몰 등의 공공장소 뿐만 아니라 대형 아파트 단지, 오피스 빌딩 등에서도 이런 현상을 쉽게 발견할 수 있다. 이처럼 많은 수의 AP와 사용자들들이 밀집되어 있는 상황을 가르켜 밀집 WLAN 이라 부른다. IEEE 표준화 단체에서는 이런 사회 분위기에 맞춰 밀집 WLAN 에 초점을 둔 새로운 표준에 대한 연구를 진행하고 있다.
밀집 WLAN 에서는 제한된 주파수 대역에서 많은 사용자들이 통신을 시도하기 때문에 트래픽 간의 충돌이 빈번히 일어난다.과도하게 발생한 충돌은 주파수 대역을 차지하며 주위의 다른 사용자가 통신하는 것을 방해하기 때문에 네트워크 전체의 성능을 떨어뜨리는 문제를 일으키게 된다. 새로운 무선랜 표준에서는 위와 같은 문제를 해결하고 성능을 향상시키는 것을 목표로 한다. 본 논문 역시 밀집 WLAN의 수용 용량을 증가시키는 방안에 대해 다룬다.
OFDMA를 기반으로 한 CSMA/CA 프로토콜은 그 장점으로 인해 많은 연구에서 주요한 기술로 다루어 지고 있다. 무선랜에서 사용되는 채널은 OFDMA 기술을 통해 좁은 대역을 가지는 여러 하위 채널로 나누어진다. FFT 를 통해 사용자는 모든 하위 채널의 정보를 한번에 알 수 있게 되고 이는 하나의 하위 채널을 선택하는데 큰 도움이 된다. 주위의 통신으로 인해 발생하는 간섭의 크기를 통해 사용자들은 어떤 하위 채널이 통신을 하기에 적절한지 선택하고 오직 그 하위 채널을 이용해서만 트래픽을 전송하게 된다. 이와 같은 방법으로 OFDMA 기반 CSMA/CA 기술에서는 여러 사용자들이 하위 채널에 대한 접근을 허락함으로써 하나의 채널을 공유하여 사용할 수 있도록 한다.
본 연구에서는 앞서 설명한 OFDMA 기술과 p-persistent CSMA/CA에서 다루는 아이디어를 이용해 밀집 WLAN 환경에서 네트워크 성능을 향상시키고자 한다. 전체 트래픽 전송 과정에서 사용자는 두번의 허락을 얻어내야 한다. 첫번째는 물리적인 반송파 감지를 통해 얻은 정보를 이용하여 채널을 선택한다. 두번째로 채널을 선택한 후 실제 트래픽을 전송하는 과정에서 앞선 과정과 같이 채널 정보를 기반으로 전송을 시도할 것인지를 결정하게 된다. 이러한 과정을 통해 사용자들의 채널 접근 권한을 조정하고 충돌이 발생하는 확률을 줄일 수 있다. 또한, 제안 방안에서는 penalty factor를 이용해 네트워크 환경을 잘 반영할 수 있도록 한다. 적절한 값의 penalty factor를 사용함으로써 얻을 수 있는 효과를 분석한다. 또한 성공적으로 트래픽 전송이 이루어지는 확률과 그로 인해 나타나는 채널의 성능 역시 분석한다.
밀집 WLAN 환경을 고려하는 기존 연구와 비교를 통해 제안한 알고리즘의 성능을 확인할 수 있다. 기존 방안에서는 시간과 주파수를 모두 고려해 backoff 과정을 수행하도록 한다. 그러나 이와 같은 방법은 사용자들에게 채널에 접근할 권한을 더 쉽게 부여하면서 오히려 많은 충돌을 야기할 수 있다. 시뮬레이션과 분석을 통한 여러 조건에서의 두 방안의 비교 분석을 기반으로 본 연구에서 제안하는 방안의 효과를 파악할 수 있다.
