Efficient Full-duplex MAC Protocols Utilizing Buffer Status Reports of Stations in WLANs

Abstract

As wireless local area networks (WLANs) have flourished during the past two decades, the traffic volume and the number of WLAN-enabled stations have explosively increased. Thus, stations are becoming densely populated in the WLANs and require high throughput to handle the rapidly growing traffic. However, conventional WLAN techniques are insufficient to handle the traffic levels expected in the next-generation WLAN. To meet these demands, a new WLAN technique is required. The full-duplex radio is a promising technique for the next-generation WLAN, because it can double the spectral efficiency compared to traditional half-duplex radio. In the half-duplex radio, signals cannot be simultaneously transmitted and received on the same frequency band due to self-interference signals. However, as self-interference cancellation techniques have evolved, the full-duplex radio has become possible and it can transmit and receive signals simultaneously on the same frequency band by cancelling self-interference signals. To fully utilize the full-duplex radio on the physical layer, a new protocol design for the medium access control (MAC) layer is required. However, conventional MAC protocols have been designed for the half-duplex radio. Thus, these are not suitable for the full-duplex radio. There are several new problems in designing the full-duplex MAC protocol such as full-duplex link setup, collision resolution, and unused uplink period. Moreover, in the current WLANs, access points (APs) and stations operate based on the IEEE 802.11 distributed coordination function (DCF), which is a contention-based scheme for channel access. If stations are densely populated, the channel time is wasted by excessive contention overhead such as idle back-off times and collisions, and the throughput is degraded. Therefore, the full-duplex MAC protocol should fully utilize the full-duplex radio while reducing the contention overhead. In this dissertation, we propose two new full-duplex MAC protocols to solve these problems. One proposed MAC protocol operates based on the scheduling for high throughput, and the other proposed MAC protocol operates based on the contention (IEEE 802.11 DCF) for backward compatibility with legacy stations. The scheduling-based proposed MAC protocol exploits frequency domain coordination to increase coordination efficiency. The AP uses subchannels to efficiently collect buffer status from stations and to coordinate the transmissions of the stations without contention. The contention-based proposed MAC protocol exploits buffer status reports (BSRs) to reduce the contention overhead. The AP and stations operate based on the IEEE 802.11 DCF, and stations with data report their buffer status to the AP. Then, the AP coordinates the transmission of the stations without contention. Thus, as the contention overhead is reduced, the throughput increases. One of the salient features of the contention-based proposed MAC protocol is the use of three new efficient BSR schemes that take advantage of the full-duplex radio. To evaluate the performance of the two proposed MAC protocols, we performed analytical evaluations and simulations. The evaluation results indicate that the two proposed MAC protocols outperform existing full-duplex MAC protocols.

지난 20 년간 Wi-Fi로 대표되는 무선랜(WLAN)의 널리 사용됨에 따라 무선랜의 트래픽 양과 무선랜 단말의 수가 폭발적으로 증가하고 있다. 따라서, 단말들은 점차 밀집되고 있으며, 빠르게 증가하는 트래픽을 처리하기 위해 높은 처리량(throughput)이 필요해졌다. 하지만, 기존의 무선랜 기술로는 차세대 무선랜에서 예측되는 트래픽 양을 처리하기에 충분하지 않기 때문에, 이러한 요구를 충족시킬 새로운 무선랜 기술이 필요하다. 전이중(full-duplex) 라디오는 기존의 반이중(half-duplex) 라디오에 비해 스펙트럼 효율을 두 배로 높일 수 있기 때문에, 차세대 무선랜 기술로 주목받고 있다. 기존의 반이중 라디오는 동일한 주파수 대역에서 동시에 신호를 송/수신 할 수 없다. 왜냐하면 신호를 송신 할 때 발생하는 자기 간섭 신호의 세기가 너무 강력하여, 수신되는 신호를 정상적으로 해독할 수 없다. 그러나, 최근 자기 간섭 제거(self-interference cancellation) 기술들의 발전으로, 동일한 주파수 대역에서 동시에 신호를 송/수신할 수 있는 전이중 라디오 기술이 마침내 현실화 되었다. 전이중 라디오를 완전히 활용하려면 새로운 매체 액세스 제어(MAC) 프로토콜의 설계가 필요하다. 왜냐하면, 기존의 MAC 프로토콜은 반이중 라디오를 기반으로 설계 되었기 때문에 전이중 라디오에는 적합하지 않다. 전이중으로 통신을 하게 되면, 기존의 반이중 전송에 없었던, 전이중 링크 설정, 전송 중 충돌 탐지, 낭비되는 업링크(uplink) 구간 등과 같은 새로운 문제들이 발생한다. 또한, 현재 무선랜에서 단말들은 데이터 전송을 위한 채널 접근을 위해 경쟁 기반 방식인 IEEE 802.11 DCF으로 동작한다. 따라서, 차세대 무선랜에서 예상되는 단말이 밀집된 환경에서는, 단말 간의 과도한 경쟁으로 인해 채널은 유휴 시간(idle backoff time) 및 단말간의 충돌(collision)로 낭비되기 때문에 무선랜의 처리량은 저하된다. 그러므로, 전이중 MAC 프로토콜은 단말이 밀집된 환경에서 단말 간의 경쟁 오버헤드도 줄일 수 있어야 된다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기위해 스케줄링 기반의 전이중(SFD) MAC 프로토콜과 경쟁 기반의 전이중(CFD) MAC 프로토콜을 각각 제안한다. SFD MAC 프로토콜은 주파수 도메인 조정 (frequency domain coordination)을 활용한다. 액세스 포인트(access point, AP)는 서브채널을 활용하여 다수의 단말들로부터 버퍼 상태(buffer status)를 동시에 수집하여, 이를 바탕으로 경쟁없이 단말들의 전송을 조정한다. 따라서, 단말 간의 경쟁 오버헤드가 발생하지 않기 때문에 높은 처리량을 달성한다. CFD MAC 프로토콜은 기존의 단말들의 하위 호환성을 위해 IEEE 802.11 DCF을 기반으로 동작한다. 또한, 경쟁 오버헤드를 줄이기 위해 전이중 라디오의 특성을 활용한 세가지 새로운 버퍼 상태 보고(buffer status report) 기법을 사용한다. 각 단말은 낭비되는 업링크 구간, ACK 프레임, 충돌 탐지 및 해독 등을 활용하여 오버헤드 없이 버퍼 상태를 AP에게 보고한다. AP는 이를 바탕으로 경쟁없이 단말들의 전송을 조정하여 경쟁 오버헤드를 감소시켜 처리량을 증가시킨다. 제안된 두개의 전이중 MAC 프로토콜들의 성능을 평가하기 위해 분석 평가 및 시뮬레이션 평가를 각각 수행하였고, 평가 결과에서 제안된 두 개의 MAC 프로토콜들은 기존의 전이중 MAC 프로토콜들보다 우수한 처리량을 달성하였다.