직교 주파수 분할 다중 접근 방식 무선랜을 위한 중앙 집중형 경쟁 기반 매체 접근 제어 기법

Abstract

IEEE 802.11 무선랜(WLAN) 표준은 세계에서 가장 보편적으로 사용되는 무선 통신 표준 중 하나이다. 그러나, 예측에 따르면 무선랜 트래픽을 포함한 전체 모바일 트래픽의 총량이 세계적으로 향후 10년간 약 1000배 이상의 증가세를 보일 것이라고 한다. 다양한 무선랜 표준들이 이러한 폭발적인 트래픽 증가세에 대응하기 위하여 개정되고 있다. 여러 가지 표준 초안들 중에서, IEEE 802.11ax 표준 초안은 미래의 주류 무선랜 표준이 될 것으로 기대되는 가장 진전된 표준 초안으로 각광받고 있다.

이러한 IEEE 802.11ax 표준 초안은 2019년에 정식으로 출판 및 공개될 계획에 있다. IEEE 802.11ax 표준 초안의 예상 사용 시나리오는 주로 밀도 있게 배치된 액세스 포인트(AP)와 스테이션(STA)들이 다수 이용되는 시나리오를 포함한다. 이 논문에서는 우리의 제안된 방법을 설명하기에 앞서 IEEE 802.11ax 표준 초안에 현재까지 도입된 다양한 물리(PHY) 계층 및 매체 접근 제어(MAC) 계층의 신기술들을 설명한다. IEEE 802.11ax 표준 초안은 프리앰블(preamble)의 종류가 추가되어 HE-SIG-A 프리앰블과 HE-SIG-B 프리앰블을 이용해 다양한 동작을 수행한다. 또한 직교 주파수 분할 다중 접근(OFDMA) 방식을 도입하였고 다중사용자 다중입력-다중출력(MU-MIMO) 라디오 기술도 표준 초안에 포함되었다. 무선 주파수 채널은 종전보다 확대된 20, 40, 80, 80+80, 160 MHz 대역폭의 채널을 사용할 수 있게 되었다. 이러한 IEEE 802.11ax 표준 초안이 사용되리라고 기대되는 사용 사례 시나리오(use case scenario)에는 주거, 기업, 실내 핫스팟, 실외 핫스팟 시나리오 등이 포함되어 있다. 또한 본 논문에서 우리는 OFDMA 기술의 상세한 설명을 하고 하향회선 OFDMA(DL-OFDMA)와 상향회선 OFDMA(UL-OFDMA)의 동작을 자세히 분석하여 설명한다.

우리는 본 논문에서 현재까지 연구되어 발표된 다양한 OFDMA MAC 프로토콜을 조사하였다. 그러나 가장 최근에 소개된 UL-OFDMA 임의 접근(random access) MAC 프로토콜조차도 태스크 그룹 ax(TGax)에서 제안한 트리거 프레임-랜덤 액세스(TF-R) 방법을 그대로 이용하여 만족스럽지 못한 시스템 성능을 보여주는 것을 확인하였다. 이에 IEEE 802.11ax 표준 초안의 중요한 부분 중 하나인 UL-OFDMA의 시스템 성능을 개선하기 위하여, 우리는 본 논문에서 중앙 집중형 경쟁 기반 MAC 방법(CC-MAC)을 제안하고 CC-MAC의 자세한 동작과 알고리즘을 상세히 설명한다.

본 논문은 CC-MAC의 성능을 수학적으로 분석하기 위하여 랜덤 워크(Random Walk) 기법을 도입한 새로운 분석 모델을 개발하고 이를 통해 CC-MAC의 성능에 대한 수학적 예측을 수행한다. 또한 기존 방법들인 분산 조정 함수(DCF)와 TF-R 방법에 대하여 기본 서비스 집합(BSS) 쓰루풋을 비교한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 제시한다. 본 논문에 제시된 분석과 결과에 따르면 CC-MAC은 IEEE 802.11ax 표준 초안에서 제안한 사용 사례 시나리오들에 대하여 UL-OFDMA 임의 접근 방식의 MAC 프로토콜 중 가장 확장가능하고 효율적인 방법이다. 더욱이, 본 논문에서는 CC-MAC의 성능 분석을 위하여 밀접하게 연관된 두 개의 수학 문제를 다룬다. 이는 각각 상자 안의 공 문제(balls in boxes problem), 쿠폰 수집가 문제(coupon collector's problem)이다. 이 문제들은 다양한 연구자들에 의해 많은 연구가 진행되었으나, 우리는 연구 결과 그 동안 출판되었던 통계적 접근 기법들을 우리의 CC-MAC 방법의 성능 분석에 직접적으로 적용하는 것은 불가능하다는 결론을 도출했다. 본 논문에서 제시한 랜덤 워크 기반의 분석 기법은 기존의 조합론적 및 통계적 분석 기법들에 대하여 다양한 장점을 가지고 있으며, 상자 안의 공 문제 혹은 쿠폰 수집가 문제와 비슷한 다양한 문제들에 수정 적용 가능한 기법이다.

우리는 본 논문의 기여가 다음 두 가지라고 주장한다. 첫째, 우리는 본 논문에서 제안된 CC-MAC 방법을 통하여 UL-OFDMA의 시스템 성능을 현저히 증가시킬 수 있다는 것을 분석 및 컴퓨터 시뮬레이션으로 검증하고 제안된 방법에 대한 자세한 설명을 본 논문에 제시했다. 둘째, 우리는 제안된 방법인 CC-MAC을 포함한 다양한 수학적 문제에 적용할 수 있는 랜덤 워크 기법 기반의 수학적 분석 기법을 제안하고 이 기법의 상세한 내용을 본 논문에 제시함으로써 다양한 추가 연구의 길을 열었다. 우리는 마지막으로 본 논문과 CC-MAC을 추가적으로 개선하거나 향상시킬 수 있는 방법들을 탐색하고 본 논문의 결론을 서술한다.

The IEEE 802.11 wireless local area network (WLAN) is the most widely deployed communication standard in the world. However, it has been predicted that mobile traffic including WLAN traffic will increase on the magnitude of 1000 times for the next decade. The WLAN standards have been evolving to meet the explosive traffic growth. Among those draft standards, the IEEE 802.11ax draft standard is one of the most advanced and promising standard among the future mainstream WLAN standards.

The IEEE 802.11ax draft standard is to be published in 2019. The use cases of IEEE 802.11ax mainly consist of densely populated access points (APs) and stations (STAs). We review various physical (PHY) and medium access control (MAC) enhancements and modifications of IEEE 802.11ax in this dissertation before we present our proposed method. IEEE 802.11ax employs new preambles such as HE-SIG-A and HE-SIG-B. PHY techniques as in orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) and multi-user multiple-input-multiple-output (MU-MIMO) have been introduced. The channel operation is supported in 20, 40, 80, 80+80, 160 MHz channels. The use case scenarios of IEEE 802.11ax include residential, enterprise, indoor small basic service set (BSS) hotspot, outdoor large BSS hotspot. In addition, we examine the details of both downlink OFDMA (DL-OFDMA) and uplink OFDMA (UL-OFDMA) in IEEE 802.11ax.

We conducted literature survey to determine the state of the art for OFDMA MAC protocols. However, the latest suggested UL-OFDMA random access method, based on trigger frame-random access (TF-R) from task group ax (TGax), does not yet show satisfying system performance. To enhance the UL-OFDMA capability of the IEEE 802.11ax draft standard, we propose the centralized contention based MAC (CC-MAC) for OFDMA WLAN and describe its detailed operations.

In this dissertation, we analyze the performance of CC-MAC by solving the random walk model and evaluating BSS throughput compared to other methods, such as distributed coordination function (DCF) and TF-R, by computer simulation. Our results show that CC-MAC is a scalable and efficient scheme for improving the system performance in UL-OFDMA random access situation of IEEE 802.11ax. Moreover, we study two mathematical problems related to CC-MAC, the balls in boxes problem and the coupon collector's problem, and find out that the direct application of previously published result is not possible. Our random walk analysis has various advantages and can be applied to many variants of similar problems.

We consider that the contribution of this dissertation is twofold; first, we improved the system performance of UL-OFDMA random access significantly compared to existing OFDMA MAC protocols; second, we developed a new method mathematically analyzing the "unique ball in the boxes" problem which is drastically easier and more intuitive than existing solutions. We discuss the possible enhancements and improvements for CC-MAC and conclude this dissertation.