Reservation-Based Channel Access for Random Access Systems with Multi-Packet Reception

Abstract

지난 20여년 동안 Slotted ALOHA 랜덤 액세스 프로토콜 컨셉은 많은 무선통신시스템에 활용되어 왔으며 그 성능 향상 방법 항상 중요한 연구 대상이었다. 다중패킷 수신(MPR) 기법은 다중 패킷의 동시 전송을 지원함으로써 Slotted ALOHA 랜덤 액세스 프로토콜의 스루풋을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 유망한 기술로 꼽힌다. 하지면 랜덤액세스의 특성상 MPR 기법을 도입하더라도 완벽한 시스템 성능을 달성하기는 어렵다. 기존 알고리즘의 한계와 일부 현실적인 시스템에서의 운영상의 어렵함을 극복하기 위하여 본 논문에서는 MPR 시스템의 성능을 향상시킬 수 있고 또한 실제 구현이 가능한 사용자 수 추정 알고리즘을 적용한 새로운 예약 기반 MPR 시스템을 제안한다.

본 논문에서는 우선 ALOHA Random Access Protocol, MPR 기법이 적용된 무선랜, MPR 구현이 가능한 MIMO(Multi-input Multi-output) 전송 기법에 대해 논한다. 다음 예약 기반 메커니즘을 지원하는 새로운 MPR 시스템을 제안한다. 우선 네트워크에서의 활성화된 사용자 수를 알고 있다는 이상적인 조건 하에서 시스템의 스루풋을 최대화 할 수 있는 전송확률을 수학적을 분석한다. 추가적으로 시뮬레이션을 통해 제안한 예약 기반 MPR 시스템은 비예약 시스템보다 더 높은 스루풋과 더 낮은 지연 성능을 얻을 수 있음을 보여준다. 현실적으로 기지국은 실제 상황에서 활성화 된 사용자 수를 알기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 활성화 된 사용자의 수를 추정하는 알고리즘을 제한하고 그 추정값을 활용하여 최적의 전송 확률 얻을 수 있도록 한다. 제안하는 추정 알고리즘은 베이시안 규칙에 기초하여 설계하였으며 추정 값은 매 슬롯마다 업데이트되기에 시스템의 동적 변화에도 적응할 수 있다. 시뮬레이션 결과는 제안한 알고리즘이 능동 사용자의 수를 효과적으로 추정할 수 있고 시스템의 성능을 개선할 수 있다는 것을 보여준다.; Over the past decades, the concept of Slotted ALOHA random access networks have been widely deployed in wireless communications, and improving the performance has been one of the most popular research issues. Multi-packet reception (MPR) is considered as a promising technology that can improve the performance of Slotted ALOHA random access networks through supporting simultaneous transmissions of multiple packets. However, due to the randomness of the networks, MPR still could not achieve the perfect system performance under practical scenarios. In order to overcome the limitations of previously existing algorithms while improving the system performance, we propose a novel reservation-based MPR system which supports the channel reservation for successful transmissions and has the capability of estimating the network population so that it can adapt to network dynamics.

In this thesis, we first discuss the related works such as the ALOHA random access protocol, MPR capable wireless local area networks (WLANs), and multi-input multi-output (MIMO) transmission techniques that can support MPR. Then, we introduce our proposed reservation mechanism and discuss the optimal operation to achieve the maximum throughput. Through extensive simulations we show that the proposed reservation-based MPR system can obtain higher throughput and lower delay than non-reservation systems. Finally, since the optimal operation of the reservation-based MPR system requires the number of active users in the network, we propose a Bayesian estimation algorithm to estimate the number of active users based on which the optimal transmission probabilities can be applied. The estimation updates the information slot by slot and therefore can adapt to network dynamics. Simulation results show that our algorithm can effectively estimate the number of active users and improve the system performance.