The IEEE 802.11 wireless local area network (WLAN) standard has recently included multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) schemes both in uplink and downlink. Through the downlink MU-MIMO, an access point (AP) can simultaneously transmit multiple streams for different stations (STAs), while the uplink MU-MIMO enables multi-packet reception (MPR) with which the AP can successfully receive simultaneous transmissions from different STAs. In this dissertation, we focus on the medium access control (MAC) layer issues in carrier sense multiple access (CSMA) networks, e.g., WLANs with MU-MIMO considering physical layer behaviors. When each STA has a single antenna, we compare the system performance of downlink MU-MIMO with another downlink user multiplexing in time domain: a frame aggregation. The numerical results show a tradeoff of these schemes according to signal-to-noise ratio (SNR) region, and the differences of SNRs and packet length of multiplexed STAs. For uplink MU-MIMO, we discuss an unfairness problem in terms of channel access opportunity due to different frame error rates among STAs. We propose a fair channel access scheme and the performance evaluation results show that it significantly improves the fairness in terms of throughput as well as channel access opportunity. Besides, when each STA has multiple antennas, we propose a new backoff algorithm which adaptively selects the number of transmit antennas according to the queue state of backlogged STAs in uplink MPR-capable CSMA networks under an unsaturated traffic condition, in order to efficiently utilize the multiple transmit antennas. Moreover, to resolve a performance bottleneck of the proposed backoff algorithm in physical layer due to a per-STA power constraint, we propose a transmission scheme which opportunistically determines to transmit based on the channel condition. The performance evaluation results show that it efficiently resolve the performance bottleneck in physical layer while maintaining the benefit of using multiple transmit antennas in MAC layer.
최근 국제 전기 전자 기술자 협회의 무선랜 표준은 상향링크와 하향링크에 다중사용자-다중입출력 기법을 도입했다. 하향링크에 다중사용자-다중입출력 기법 적용시 무선랜 접속점은 다수의 단말에 서로 다른 패킷을 동시에 전송 가능하며, 상향링크 적용 시, 서로 다른 단말이 동시에 전송하는 패킷들을 성공적으로 수신할 수 있다. 본 학위논문에서는 무선랜과 같은 반송파 감지 다중접속 네트워크에 다중사용자-다중입출력 기법 적용 시, 물리계층 특성을 고려한 매체접근제어 계층에서의 문제를 다룬다. 각 단말이 하나의 안테나를 가지는 경우, 하향링크 다중사용자-다중입출력 기법과 또 다른 사용자 다중화 기법 중 하나인 프레임 집적 방식의 상충관계를 분석한다. 또한, 상향링크 다중사용자-다중입출력 적용 시, 단말 간 프레임 오류율 차이에 의한 채널 접속 기회의 불평등 문제를 해결하기 위해 새로운 매체접근제어 프로토콜을 제안한다. 각 단말이 다수의 안테나를 가지는 경우 상향링크 다중사용자-다중입출력 기법 적용 시, 매체접근제어 계층에서 단말들의 큐 상태에 따라 전송 안테나 수를 조절하는 백오프 알고리즘을 제안한다. 또한, 물리계층에서 전력 제한 조건이 있을 때, 제안한 백오프 알고리즘의 성능 저하 현상을 해결하기 위해 채널 품질 기반의 기회적 전송기법을 제안한다.
