Advanced Transmission Strategies for Next-Generation Wireless LANs = 차세대 무선랜을 위한 고도화된 전송 전략

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wi-Fi, standardized under IEEE 802.11, has become an essential component of modern connectivity due to its cost-effective deployment and widespread adoption. As user demand has evolved from higher data rates to consistent and efficient performance—especially in dense environments—recent standards have introduced features like multi-link operation (MLO) and multi-user orthogonal frequency division multiple access (MU-OFDMA). These features aim to address the growing need for high throughput and low latency in congested wireless local area networks (WLANs). However, the practical realization of these features is often hampered by interference, legacy device coexistence, and hardware limitations.

This dissertation focuses on enhancing the performance and reliability of next-generation WLANs through practical strategies. Specifically, the study tackles three key challenges that limit the full potential of MLO and MU-OFDMA in real-world deployments: (i) Unfair channel access opportunities in non-simultaneous transmit and receive (NSTR) MLDs caused by in-device cross-link interference (IDC), (ii) the observation that MLD-capable devices often achieve lower throughput than conventional single-link 2×2 MIMO, despite having access to multiple links, and (iii) the failure of the MU-RTS/CTS mechanism to operate as originally intended, particularly in identifying responsive STAs in MU-OFDMA scenarios. To address these challenges, this dissertation presents the following solutions. First, to mitigate the access unfairness caused by IDC in NSTR MLDs, we develop a contention window adaptation mechanism based on a Markov chain-derived analytical model. This mechanism compensates for the reduced channel access probability and restores fairness when coexisting with legacy devices. The validity of the analytical model is confirmed through simulation, demonstrating that the proposed adaptation enables MLDs to achieve performance comparable to legacy STAs on both links. Second, although enhanced multi-link single radio (EMLSR) was originally introduced in the IEEE 802.11be standard to reduce implementation cost, it also serves as a practical strategy for improving throughput under real-world constraints. Building on this existing mechanism, we propose a standard-compliant enhancement that alleviates the impact of RF chain switching delays, enabling efficient and reliable utilization of MLO capabilities. Lastly, we formulate the problem of identifying CTS responses to an MU-RTS as separation of CTS channel state information (CSI) into individual STA components, and transform it into a sparse signal recovery problem based on compressive sensing. This method enables the AP to accurately identify the set of responding STAs without altering the standard frame format.

In summary, this dissertation addresses key challenges in deploying MLO and MU-OFDMA in real-world WLANs, including unfair channel access in NSTR MLDs, the limited throughput gains of MLO-capable devices compared to single-link 2×2 MIMO, and unreliable MU-RTS/CTS operation. We propose a contention window adaptation mechanism for NSTR MLDs, refine EMLSR to alleviate the impact of RF chain switching delays, and introduce a CSI-based CTS identification method. These solutions enable more reliable and efficient use of next-generation Wi-Fi features without requiring modifications to existing standards.

국문 초록 (Abstract)

Wi-Fi는 IEEE 802.11 표준 하에 규정된 무선 기술로, 경제적인 설치 비용과 광범위한 보급으로 인해 현대 연결 환경에서 필수적인 요소로 자리 잡았다. 사용자 수요는 단순한 고속 데이터 전송을 넘어서, 특히 밀집 환경에서의 일관적이고 효율적인 성능으로 진화해 왔으며, 이에 따라 최신 표준들은 다중 링크 운용(Multi-Link Operation, MLO)과 다중 사용자 OFDMA(MU-OFDMA) 기능을 도입하였다. 이러한 기능들은 혼잡한 무선랜(WLAN) 환경에서 높은 처리량과 낮은 지연시간을 달성하기 위한 목적을 가지나, 구형 장치와의 공존, 하드웨어 제약 등의 현실적인 한계로 인해 실효성이 저하되는 경우가 많다.

본 학위논문은 차세대 무선랜의 성능과 신뢰성을 향상시키기 위한 실용적인 전략을 제시하며, MLO 및 MU-OFDMA의 실제 적용에 있어 다음 세 가지 주요 문제를 해결하고자 한다: (i) 비동시 송수신(NSTR) 다중 링크 장치(Multi-Link Device, MLD)에서의 장치 내 교차 링크 간섭(In-device Cross-link Interference, IDC)으로 인한 채널 접근 불균형, (ii) MLO 지원 장치가 기존 단일 링크 2×2 MIMO 장치에 비해 복잡도는 높으나 기대만큼의 성능 향상을 달성하지 못하는 문제, (iii) MU-OFDMA 환경에서 MU-RTS/CTS 사용 시, 동일한 CTS 파형으로 인해 응답 단말을 식별할 수 없어 발생하는 스케줄링 비효율. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문은 다음과 같은 세 가지 기법을 제안한다. 첫째, NSTR MLD에서 IDC로 인해 발생하는 채널 접근 불균형을 완화하기 위해 마르코프 체인 기반의 분석 모델을 설계하고, 이를 바탕으로 경쟁 윈도우(Contention Window, CW) 조정 메커니즘을 제안한다. 시뮬레이션을 통해 본 메커니즘의 유효성을 검증하며, 제안 기법이 양 링크 모두에서 기존 단말과 유사한 성능을 달성함을 보인다. 둘째, 표준에서 구현 비용 절감을 위해 도입된 EMLSR(Enhanced Multi-Link Single Radio)이 수율 개선에 효과적임을 보이고, 이를 기반으로 RF 체인 전환 지연의 영향을 완화할 수 있는 표준 호환형 개선 기법을 제안한다. 이를 통해 MLO 기능의 활용도를 높이고 보다 안정적인 운용이 가능함을 입증한다. 셋째, MU-RTS에 대한 CTS 응답 식별 문제를 CTS의 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI)를 구성 단말 단위로 분리하는 문제로 정식화하고, 이를 압축 센싱(Compressive Sensing) 기반의 신호 복원 문제로 변환한다. 이를 통해 표준 프레임 형식의 변경 없이도 응답한 단말 집합을 높은 정확도로 추론할 수 있음을 보인다.

결론적으로, 본 논문은 현실적인 무선랜 환경에서 MLO 및 MU-OFDMA의 실효성을 저해하는 핵심 문제들---NSTR MLD의 접근 불균형, MLO 장치의 낮은 수율, 그리고 MU-RTS/CTS의 신뢰성 부족---을 해결하기 위한 방안을 제시한다. 제안된 경쟁 윈도우 조정 메커니즘, EMLSR 기반 지연 완화 기법, 및 CSI 기반 CTS 식별 기법은 기존 표준의 변경 없이도 차세대 Wi-Fi 기능의 신뢰성과 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Motivation 1
• 1.2 Main Contributions 3
• 1.2.1 Adaptive Multi-link Channel Access under Cross-link Interference in Next-generation WLANs 3
• 1.2.2 Demystifying Multi-Link Device Behavior and Performance under Network Congestion in Wi-Fi 7 4
• 1.2.3 Troubleshooting Multi-User RTS/CTS Ambiguity in OFDMA-Enabled Wi-Fi Networks 5
• 1.3 Organization of the Dissertation 6
• 2 Adaptive Multi-link Channel Access under Cross-link Interference in Next-generation WLANs 7
• 2.1 Introduction 7
• 2.2 Channel Access in MLO 11
• 2.2.1 Channel Access over an STR link pair 12
• 2.2.2 Channel access over an NSTR link pair 14
• 2.3 Channel access Analysis for MLO 15
• 2.3.1 Main Markov chain model 16
• 2.3.2 Sub-Markov chain model 20
• 2.3.3 Numerical analysis 24
• 2.3.4 Throughput analysis 27
• 2.4 Proposed method 27
• 2.4.1 Optimal contention window 28
• 2.4.2 Signaling for optimal contention window 31
• 2.5 Performance Evaluation 33
• 2.5.1 Model validation 34
• 2.5.2 Verification of the proposed scheme 36
• 2.5.3 Effect of proposed scheme on network 39
• 2.6 Related work 41
• 2.7 conclusion 43
• 3 Demystifying Multi-Link Device Behavior and Performance under Network Congestion in Wi-Fi 7 44
• 3.1 Introduction 44
• 3.2 Background and Related Work 48
• 3.2.1 Multi-link device capabilities and channel access 48
• 3.2.2 Performance of multi-link operations 49
• 3.3 Analysis of Multi-Link Channel Access 50
• 3.3.1 System model and assumptions 50
• 3.3.2 Discrete-time Markov chain modeling 54
• 3.3.3 Limitations of conventional NSTR MLO mechanisms 60
• 3.4 Characterizing Multi-Link Performance as per Device Implementations 64
• 3.4.1 Protecting ongoing receiving 64
• 3.4.2 Transmission option 66
• 3.5 Enhanced Operation Strategies for Non-STR Multi-Link Device 69
• 3.5.1 Transition delay 71
• 3.5.2 RF chain transition strategy 72
• 3.6 Conclusion 75
• 4 Troubleshooting Multi-User RTS/CTS Ambiguity in OFDMA-Enabled Wi-Fi Networks 76
• 4.1 Introduction 76
• 4.2 Background and Related work 79
• 4.2.1 MU-OFDMA 79
• 4.2.2 Hidden terminal problem and (MU-)RTS/CTS 81
• 4.3 Operational Restrictions in MU-RTS/CTS 82
• 4.3.1 Real-world study 83
• 4.3.2 Simulation study 84
• 4.4 Channel aware CTS Identifier 87
• 4.4.1 Problem formulation 87
• 4.4.2 Construction of phase-altered matrix 90
• 4.4.3 Protocol based extension: CTS sub-band transmission 91
• 4.5 Evaluation 92
• 4.5.1 Validation of CSI identifier 92
• 4.5.2 Network performance 97
• 4.6 Further discussion: Protocol-based approach 98
• 4.7 Conclusion 100
• 5 Concluding Remarks 102
• 5.1 Research Contributions 102
• 5.2 Future Work 103
• Abstract (In Korean) 113