Efficient Relay-based MAC Protocols for Throughput Enhancement in IEEE 802.11 Wireless Networks

Abstract

Thanks to the low cost, easy wireless Internet access, and the support of high speed, IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) have been widely deployed in small spaces such as offices, homes, and hot spot areas and have been one of the most popular wireless access technologies. In addition, since most vendors which produce smart phones and laptops have integrated WLAN devices into their equipment, WLAN users will increase explosively in near future.One of the important issues in IEEE 802.11 wireless networks is to increase the network throughput under limited bandwidth. One way to increase the network throughput is to handle the hidden node problem. In the IEEE 802.11 wireless networks, the network throughput can be degraded by hidden nodes which can interfere with the reception of frames at nodes such as either transmitters or receivers. Several solutions have been proposed to alleviate the data frame losses at receivers. However, they do not consider the control frame corruptions at both transmitters and receivers which have also a big impact on the throughput in the multi-hop wireless networks. Another way to increase the network throughput is to increase the number of concurrent transmissions as long as these transmissions should not interfere with each other. Several protocols have been proposed to exploit concurrent transmissions in WLANs. But, their performance depends on the degree of interference among links.In this dissertation, we propose two efficient relay-based MAC protocols for improving the network throughput by dealing with the interference issues in IEEE 802.11 wireless networks. First, we propose a new relay-based MAC protocol, called Robust and Cooperative Medium Access Control (RCMAC), which alleviates medium waste caused by the frame losses due to hidden nodes in multi-hop wireless networks. RCMAC exploits relay nodes to alleviate the throughput degradation by interference induced frame losses as well as to reduce the transmission time of data frames by using fast two-hop data frame transmissions via relay nodes. Second, we propose Multichannel Relay-enabled MAC (MRMAC) to improve the network throughput by allowing the concurrent transmissions without considering interference in infrastructure based WLANs. In order to enable the concurrent transmissions in WLANs, MRMAC adopts the concept of the frame relaying in the existing relay MAC protocols. Furthermore, in order to enable the interference free concurrent transmissions, MRMAC utilizes multiple non-overlapping channels. We design a decision algorithm to select frames to be served and to assign different channels to those frames as well as a medium access operation for concurrent frame transmissions.We evaluate the performance of RCMAC and MRMAC through extensive ns-2 simulation. The evaluation results show that RCMAC and MRMAC achieves the improved network throughput compared with the existing well-known MAC protocols

낮은 설치 비용, 용이한 무선 인터넷 접근, 및 높은 데이터 레이트의 지원 덕분에 IEEE 802.11 WLAN은 가정과 오피스, 핫 스팟 지역 등에 많이 이용되고 있는 가장 널리 알려진 무선 엑세스 기술들 중에 하나이다. 게다가 스마트폰 랩탑등을 생산하는 대부분의 판매회사에서는 장비에 WLAN 디바이스를 결합한 상품을 출시하고 있어, 가까운 미래에 WLAN 사용자가 더욱 폭발적으로 늘어날 것이다.IEEE 802.11 무선 네트워크에서 중요한 이슈들 중에 하나는 한정된 대역폭 하에서 네트워크 스루풋을 높이는 것이다. 네트워크 스루풋을 높이기 위한 한가지 방법은 은닉 노드 (hidden node)문제를 해결하는 것이다. IEEE 802.11 무선 네트워크에서는 은닉 노드가 다른 노드의 프레임 수신에 간섭을 끼치므로 네트워크 성능이 저하될 수 있다. 수신 측에서 발생하는 데이터 프레임의 간섭에 의한 손실을 완화하기 위한 몇몇 해결책이 제안이 되었다. 그러나 기존 연구들은 송/수신 측에서 발생하는 컨트롤 프레임의 손실은 고려하지 않았으며, 이 프레임들의 손실은 송/수신측의 인접 영역에 미디엄 낭비를 유발하므로 네트워크 스루풋을 저하시킬 수 있다. WLAN에서 네트워크 스루풋을 높이는 또 다른 방법은 서로간에 간섭을 미치지 않는 링크들을 이용하여 동시에 전송되는 링크의 수를 최대화 하는 것이다. WLAN에서 이를 활용하는 프로토콜이 있으나 성능은 링크간의 간섭 정도에 의존적이다.본 논문에서는 IEEE 802.11 무선 네트워크에서 네트워크 스루풋을 향상하기 위한 릴레이 기반의 MAC 프로토콜을 제안한다. 먼저, RCMAC (Robust and Cooperative Medium Access Control) 프로토콜을 제안한다. RCMAC은 멀티홉 무선 네트워크에서 간섭에 의한 데이터/프레임 손실로 인해 나타나는 네트워크 스루풋 감소 문제를 완화하기 위해 릴레이 노드들을 활용하는 매체 접근 제어과정을 디자인한다. 또한 RCMAC은 기존의 릴레이 MAC 프로토콜들처럼 릴레이 노드를 통한 빠른 2홉 데이터 전송을 이용하여 네트워크 스루풋을 더욱 향상시킨다. 다음으로 MRMAC (Multichannel Relay Medium Access Control)을 제안한다. MRMAC은 WLAN에서 다수의 링크간 동시전송을 통해 네트워크 스루풋을 향상시킨다. WLAN에서 동시전송을 가능하게 하기 위해 프레임 릴레이 개념을 도입하였고, 링크간의 간섭문제를 없애기 위해 다수의 직교 채널들을 활용한다. MRMAC에서는 전송할 데이터 프레임들을 결정하고 각 데이터 프레임의 전송 시 사용할 채널을 할당하기 위한 결정 알고리즘(decision algorithm)을 디자인하고, 프레임의 동시 전송을 위한 매체 접근 제어과정을 디자인한다. NS-2 (network simulation version 2) 시뮬레이션을 통해 RCMAC과 MRMAC의 성능을 측정하였다. 다양한 환경에서의 시뮬레이션 결과를 통해 RCMAC과 MRMAC은 기존의 잘 알려진 MAC 프로토콜들 보다 높은 성능을 보임을 관찰하였다.