In IEEE 802.11 wireless local area networks (WLANs) have been widely deployed in many places such as homes, schools, and other pubic places. Since the IEEE 802.11 systems operate based on the carrier sensing multiple access (CSMA)-based random access, it is important to maximize the system performance while maintaining fairness between nodes or links. In this dissertation, we examine the fairness problems caused by factors in PHY and MAC layers in CSMA-based random access networks. In the first part of dissertation, we address the fairness problem caused by physical (PHY) layer factors. We introduce the hybrid automatic repeat request (HARQ) schemes in WLAN and propose HARQ-based fairness schemes to resolve the fairness among nodes or links having different frame error rates (FERs). We find out that the proposed schemes not only provide the near-perfect fairness in error-prone channels but also improves the whole system performance. In the second half of the dissertation, we focus on the UL/DL fairness problem caused by media access control (MAC) layer factors. We propose mechanisms for estimating the number of backlogged nodes which contend for the channel access when UL and DL traffic coexists in unsaturated CSMA systems. Based on the backlog estimation, we propose optimized MAC protocols which ensure the near-perfect UL/DL fairness while improving the overall system performance.
본 박사학위 논문은 반송파 감지 다중접속 (CSMA) 기반의 랜덤 액세스 네트워크에서는 공정성 및 성능향상 기법을 제안한다. 전반부에서는 물리계층의 요인에 의해 매체접근제어 프로토콜의 동작이 왜곡되어 발생하는 공정성 문제를 다룬다. 서로 다른 프레임 오류율을 갖는 사용자 간 또는 상/하향링크 간 비공정성 문제를 해결하기 위해 무선랜의 표준에 하이브리드 재전송 기법을 적용한다. 제안한 하이브리드 재전송 기반의 공정성 기법은 오류율이 높은 채널 환경에서도 거의 완벽한 공정성을 보장할 뿐만 아니라 시스템 전체 성능을 향상시킨다. 후반부에서는 매체접근제어 계층 요인에 기인하는 공정성 문제를 다루며, 그 중 상향링크와 하향링크 간 공정성 문제에 초점을 맞춘다. 상향링크와 하향링크 트래픽이 공존하는 환경에서 매 순간 자원 점유를 위해 경쟁하는 노드(백로그 노드) 수를 예측하는 메커니즘을 제안하고, 이를 기반으로 맥의 동작을 최적화한다. 제안한 기법은 높은 신뢰도의 백로그 예측을 기반으로 시스템 전체 성능을 향상시키고 상향링크와 하향링크 간 공정성을 완벽히 보장한다.
