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IEEE 802.11 무선랜에서의 데이터 처리량 및 공평성 향상

Throughput and Fairness Enhancements for IEEE 802.11 Wireless LANs

  • 임완선 (Wan-Seon Lim, 컴퓨터공학과)

초록/요약

최근 들어 IEEE 802.11 기반의 무선랜은 사무실, 학교, 가정 등 다양한 곳에 널리 설치되어 있다. 또한 대부분의 노트북, 이동형 단말, 스마트폰 등에 무선랜 인터페이스가 기본적으로 포함되어 출시되고 있다. 무선 통신 기술의 발전에 따라 현재 3G 이동통신 기술이나 IEEE 802.16 와이맥스 등 다양한 무선 접속 기술들이 선보이고 있지만 IEEE 802.11 기반의 무선랜은 경쟁 기술들에 비해서 보다 빠르고 저렴한 무선 인터넷 서비스를 제공해줄 수 있다. 무선랜 MAC 프로토콜의 주요 연구 이슈 중 하나는 쓰루풋의 향상이다. 최근 들어 무선 네트워크의 쓰루풋 향상을 위해 릴레이 기법을 활용하는 방안이 주목 받고 있다. 특히 낮은 데이터 레이트의 단일 홉 통신을 릴레이를 경유하는 높은 데이터 레이트의 멀티 홉 통신으로 대신한다면 상당한 쓰루풋 향상이 있음이 밝혀진 바 있다. 이러한 릴레이 통신을 무선랜에 적용하기 위해 다양한 릴레이 MAC 프로토콜들이 제안되었다. 이 프로토콜들에서는 모든 스테이션들이 릴레이를 위한 제어 시그널링과 데이터 교환에 능동적으로 참여해야 한다. 다시 말해 릴레이 통신의 활용을 위해 무선랜 AP뿐만 아니라 스테이션들도 MAC 프로토콜을 수정해야 한다. 또 다른 주요 이슈 중 하나는 스테이션들간의 공평성 향상 문제이다. 비록 802.11 DCF가 스테이션 간의 공평한 채널 억세스를 위해 디자인 되었지만 업링크와 다운링크 트래픽 간의 공평성을 제공해주지는 못한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 연구들에서는 AP에게 높은 채널 접근성을 제공해 주는 해결책들이 제안되었다. 하지만 이런 해결책들에서도 한 스테이션이 업링크와 다운링크 트래픽을 동시에 가지는 경우 스테이션 간의 공평성이 보장되지 않는다. 본 논문에서는 무선랜에서의 쓰루풋과 공평성을 향상 시키기 위한 MAC 프로토콜을 각각 제안한다. 먼저 쓰루풋 향상을 위해서는 proxy relay-enabled MAC (PR-MAC) 프로토콜을 제안한다. PR-MAC은 기존 스테이션의 수정이 없이 릴레이 통신을 제공하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 우리는 proxy relay point (PRP)라는 불리는 새로운 개체를 정의한다. PRP는 AP처럼 고정되어 있는 개체로 AP와 스테이션 사이의 릴레이만을 담당하며 스테이션은 자신이 보내거나 받는 프레임이 릴레이 되는지를 전혀 인지하지 못한다. PR-MAC의 성능은 시뮬레이션과 실제 장비에서의 실험을 통해 검증되었다. 기존의 802.11 DCF와 비교했을 때 PR-MAC은 최대 4배 이상의 쓰루풋 향상을 보여주었다. 두 번째로 본 논문에서는 트래픽의 방향에 무관하게 스테이션 간의 공평성을 제공해주기 위한 Fair MAC 프로토콜을 제안하였다. Fair MAC에서는 스테이션들이 트래픽의 방향에 따라 네 가지의 상태로 분류되고 그 상태에 따라 무선 채널에 억세스 하게 된다. Fair MAC은 기존의 802.11 DCF와 하위호환성을 가지고 있으며 복잡한 스케쥴링 알고리즘을 필요로 하지 않는다. Fair MAC은 기존의 802.11 DCF와 하위호환성을 가지고 있으며 복잡한 스케쥴링 알고리즘을 필요로 하지 않는다. PR-MAC과 마찬가지로 Fair MAC 또한 실제 장비에서의 실험과 시뮬레이션을 통해 그 성능을 검증하였다. 실험 및 시뮬레이션의 결과로 보았을 때 Fair MAC은 802.11 DCF 뿐만 아니라 공평성 보장을 위한 기존의 해결책들보다 향상된 성능을 보여주었다.

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초록/요약

Recently, IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) have been successfully deployed in offices, campuses, homes, and hot spot areas. In addition, major laptop, handheld computer, and mobile phone vendors are integrating WLAN interfaces into their equipments for high speed Internet connectivity. Although many wireless access network technologies, such as IEEE 802.16 wireless metropolitan area networks and 3G networks (3GPP, 3GPP2), have been standardized and deployed for wireless Internet services, IEEE 802.11 WLANs can provide a faster wireless access than other technologies with low cost. One of the main research issues in WLAN MAC protocol is improving throughput of stations. Recently, cooperative and relay communications have attracted much interest for the throughput enhancement of wireless networks. In particular, it has been known that low-rate communications between the source and destination can be faster by high-rate multi-hop communications via cooperative relays. To exploiting such relaying capability, several relay-enabled MAC protocols have been proposed for multi-rate wireless LANs. In existing protocols, all stations should participate in control frame signaling and data frame exchanging for relay transmissions. As a result, they require modification on not only access points (APs) but also stations. Another main research issue in WLAN MAC protocol is assuring fairness among stations. Although the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function (DCF) has been designed to provide a fair channel access for all competing stations, it does not guarantee fairness between uplink and downlink flows in infrastructure mode WLANs. In the literature, there have been several solutions for this unfairness problem, which gives a higher channel access priority to an access point in order to avoid the starvation of downlink flows. However, we found that existing solutions cannot guarantee per-station fairness when uplink and downlink flows coexist in a station. In this dissertation, we propose two efficient MAC protocols which aim to improve throughput and assure per-station fairness, respectively. First, we propose a MAC protocol for WLANs to provide the cooperative relay service to legacy WLAN stations. With the proposed protocol, called proxy relay-enabled MAC (PR-MAC), it is not required to modify the MAC operations of stations. To enable the relay communication for legacy stations, PR-MAC introduces a new entity called proxy relay point (PRP), which serves as a relay between the AP and stations. The cooperation of the AP with PRP replaces direct transmissions for low-rate stations with fast two-hop transmissions while the stations think that they communicate directly with the AP. We implemented PR-MAC by modifying a Linux WLAN driver and performed experiments on real test-beds. Experiment results showed that PR-MAC can significantly improve the throughput of legacy stations. Second, we propose a MAC protocol for IEEE 802.11 WLANs, which aims at providing a fair medium access for all stations regardless of the direction of flows. In the proposed protocol, called Fair MAC, stations are classified into four states according to their traffic patterns, and they access the medium in different ways according to their states. Fair MAC is fully backward compatible with the IEEE 802.11 standard and it does not include any complex scheduling algorithm. We evaluate the performance of Fair MAC via extensive simulations and experiments in real test-beds. Compared to existing work, Fair MAC shows improved fairness performance in resource sharing among WLAN stations.

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목차

I INTRODUCTION 1
II BACKGROUND 5
2.1 MEDIUM ACCESS SCHEMES FOR WLANS 5
2.2 RATE ADAPTATION SCHEMES 20
III RELATED WORK 23
3.1 RELAY-ENABLED MAC PROTOCOLS 23
3.2 UNFAIRNESS PROBLEM BETWEEN UPLINK AND DOWNLINK IN WLANS 27
IV PROXY RELAY-ENABLED MAC PROTOCOL 32
4.1 MOTIVATION AND SYSTEM ARCHITECTURE 32
4.2 OPERATIONS OF PR-MAC 34
V FAIR MAC PROTOCOL 45
5.1 MOTIVATION 45
5.2 OPERATIONS OF FAIR MAC 48
VI PERFORMANCE EVALUATION 59
6.1 PERFORMANCE EVALUATION OF PR-MAC 59
6.2 PERFORMANCE EVALUATION OF FAIR MAC 67
VII CONCLUSION 76
7.1 SUMMARY 76
7.2 CONTRIBUTIONS 76
7.3 FUTURE WORK 77
SUMMARY (IN KOREAN) 79
REFERENCES 81

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