Opportunistic link adaptation protocol with dynamic fragmentation & aggregation for improving channel throughput over multi-rate IEEE 802.11 wireless LAN = 다중 전송률 802.11 DCF 기반 애드 혹 환경에서 채널 수율 향상을 위한 다이나믹 기술이 접목된 링크 적응형 프로토콜

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In nowadays, wireless local area networks have become more popular due to availability of affordable devices that are capable of communicating at high data rates. With the rapid development of the Internet in the last decade, the role of wireless local area network for users to access the Internet has become more important.The IEEE 802.11 wireless media access standard supports multiple data rates at the physical layer. Thus, various auto rate adaptation mechanisms at the medium access layer have been proposed to utilize this multi-rate capability by automatically adapting the transmission rate to best match the channel conditions. A lot of results have been existed from many studies about increasing performance in 802.11 Wireless LAN. These are normally focusing on contention based MAC protocol which operates when a collision is being happened in the medium.We have effort to enhance performance with getting concerning about link environment in 802.11 Wireless LAN. The link adaptation technology known as core skill of the 3G4G change transmission method for increasing system throughput and enhancing channel error rate through channel variation.In this thesis, variable link adaptation protocols have been introduced and new link adaptation techniques have been proposed. WLAN system’s coverage has to be extended more largely and has to support mobility within high data rate for getting better position in future communication market. For achieving those goals link adaptation technique for recovering channel variation have to be continuously studied and developed. Proposed idea comes from saying above. We studied received SNR based link adaptation protocol and added a few function to exited protocol for improving performance. Firstly, we has to make function to guarantee fairness. Since latest protocol has just focused on improving performance it has some drawback and we have to find a solution. We choose the way which is TXOP limitation. TXOP limitation was announced by 802.11e working group because they wanted to control traffic priority with this. Anyway, we thought it is a good method to control transmission opportunity when one user being good channel transmits continuously. Next, we consider the way for enhancing protocol. It is dynamic fragmentation and aggregation. We thought if channel condition get worse long packet could be important reason for occurring error more frequently. Thus, we have proposed new function of dynamic fragmentation as channel variation with ACK message. In addition to cutting packet adaptively, we have considered assembling small packets. We have named new protocol ODPB (Opportunistically Dynamic Packet Bursting) and have performed system simulation with using C language in 802.11b specification. We executed simulation in variable scenarios.We firstly approved performance of APB protocol with TXOP limitation to guarantee fairness. We have done limitation of transmission by executing upper bound and under bound. When we executed under TXOP limitation we accept not only satisfaction of guaranteeing fairness requirement, but also improvement of total throughput. We generally thought that to satisfy fairness requirement means loss of throughput performance. However, DCF MAC is based CSMACA how to access medium. Thus, under bound get effect that unnecessary contention time is reduced. When function of upper TXOP limitation is inserted APB guarantee as time sharing fairness as DCF and bring better throughput performance than OAR protocol.Next, we looked into the effects of dynamic fragmentation and aggregation. Those effects have been turned up with increasing throughput performance and improving robustness of channel variation. We approve that changing variable transmission packet size according to channel condition make link adaptation protocol more advance: increasing throughput performance and supporting mobility. In this thesis, experiment has been performed with 802.11b system model. However, actually the devices of 802.11a or 802.11g are been used by many people in nowadays and 802.11 a and 802.11 g not only allow user to transmit higher data rate than 802.11b does, but also support more variable data rate. Thus, we expect our proposed protocol will also show improvement of system performance. This topic is remained for future work.

국문 초록 (Abstract)

IEEE 802.11 표준안은 물리 계층에서 다중 전송률을 제공할 수 있도록 정의되어 있다. 따라서 이런 특성의 극대화를 위해 매체 접근 방식에서 채널 상태를 고려하여 최적의 전송률로 전송하기 위한 다양한 링크 적응형 프로토콜이 제안 되었다. 802.11 무선 랜 시스템의 성능을 높이기 위한 노력은 많이 이루어져 있다. 과거 대부분의 연구의 주안점은 스테이션간의 경쟁 기간을 줄이는 알고리즘이었다. 충돌이 난 상태의 사건을 바탕으로 연구를 수행하였기에 채널의 상황은 고려되지 않았고 백오프 알고리즘의 효율성을 극대화 하고자 하였다.링크 적응화 기술은 채널 상태에 따라 전송 방식을 적응적으로 변화시켜, 채널 에러율을 개선시키고, 시스템 용량을 증가시키는 기술로서 3G4G 시스템의 핵심 기술로 받아 들여지고 있다. 무선 환경에서의 통신을 위해서는 채널을 고려해서 링크의 효율성을 극대화 할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 802.11 무선 랜에서 채널 환경을 고려한 성능 향상을 목표로 하였기에, 다양한 링크 적응화 기술들을 소개하였고 새로운 프로토콜을 제안하였다. 먼저 기존의 링크 적응화 프로토콜에 관해 연구를 하였으며 그것을 바탕으로 새로운 기능을 추가, 보완하는 방식으로 연구를 진행하였다. 기존의 링크 프로토콜에 크게 3가지의 기능을 추가 성능 향상을 확인 하였다. 첫째, 기존의 링크 적응화 프로토콜에서의 버스팅 전송을 좀더 유연하게 바꾸었다. OAR 프로토콜의 경우 한번의 경쟁과정 후 고정 전송률로 버스팅 전송을 하였다. 이 프로토콜의 경우 전송 확정 구간 동안은 채널 상태에 적응적으로 전송률 변화를 추구하지 못하였다. APB 프로토콜의 경우 ACK 메시지의 지속적 전송을 이용, 매 패킷 마다 전송률을 채널에 적응적으로 변화하게 만들었다. 그 결과 기존의 OAR 프로토콜보다 1.43배의 성능 향상을, DCF 프로토콜 보다는 2.24배의 성능 향상을 보였다. 또한 다중 사용자 디버서티(diversity) 이득 또한 확인 하였다. 하지만 위의 방식은 수율 최적화를 위한 프로토콜로서 성능 향상만을 만족시켰다. 따라서 프로토콜의 실용성을 확대시키고자 형평성을 만족시키기 위한 방식을 본 논문에서 적용을 하였다. RBAR 프로토콜의 경우 다른 프로토콜보다 상대적으로 성능 공평성을, OAR은 점유 시간 공평성을 제공하지만, APB의 경우 어떤 공평성도 기대할 수 가 없다. 따라서 802.11e에서 제안된 TXOP limitation 기능과 유사한 기능을 생각하였다. 즉, 채널 상황에 따라 각 사용자들의 매체 점유 시간을 각각 상한과 하한으로 전송 제한을 함으로써 수율 공평성과 전송 기회 공평성을 추구하였다. 실험 결과 상한과 하한 모두 공평성의 효과를 보여주었다. DCF 만큼의 점유 시간 공평성과 수율 공평성을 유지하면서 총 수율 측면은 2 ~ 2.5배 만큼의 성능 향상을 보였다. 또한 RBAR 프로토콜과 OAR 프로토콜 보다 훨씬 높은 성능을 보였다. 특히 주목할 만한 것은, APB 프로토콜과 비교했을 때 공평성 비교를 위해 전송구간을 제한 했기에 총 수율은 감쇠할 것이라 예상했지만, 하한만을 제안했을 때 오히려 성능은 향상됨을 보였다. 이유는 불필요한 오버헤드 시간을 줄였기 때문에 시스템 성능에 향상을 가져왔다.다음으로 링크에 좀더 강건한 프로토콜을 만들기 위해 다이나믹 프레그멘테이션 과 에그리게이션(dynamic fragmentation and aggregation) 기능을 추가하였다. APB 프로토콜의 경우 채널의 변화가 잦은 데에서는 링크에 따른 전송률 제어는 높은 에러율로 인해 성능을 좋게 유지를 할 수가 없다. 따라서, 802.11 MAC에 정의된 기술을 채널에 적응적으로 동작 하도록 제안한 것이다. 이 기능의 추가로 기존 APB 프로토콜보다 채널 변화가 심한 환경에서 최대 1.76배의 성능 향상을 보였다. 이 기능의 추가는 단순 성능 향상이 목적이 아니라 링크 환경 변화에 좀더 안정적이고 강건함을 목적으로 한다. 이로서 새로운 프로토콜은 저속의 이동성까지 제공함을 확인 하였다. 제안된 새로운 프로토콜의 이름을 ODPB (Opportunistically Dynamic Packet Bursting)로 정하였다.본 논문은 802.11b 모델을 기준으로 실험 환경을 만들고 결과를 확인하였다. 하지만 현재 802.11g 모델이 보편화 되고 있으며, 따라서 채널 상황에 따른 좀더 다양한 전송률로의 전송 변화가 가능하기에 논문에서 제안된 링크 적응화 기술들을 이용해 볼 필요성이 있으며, 본 논문의 프로토콜이 반드시 성능 향상에 영향을 가져올 것이라 기대된다.