MAC design and analysis for MU-MIMO and full-duplex enabled wireless networks

Abstract

IEEE 802.11 based wireless networks, especially the infrastructure based Wireless Local Area Networks (WLANs) or Wi-Fi networks, are hugely successful, and have become an indispensable part of our life at homes and working places. However, the rapid growth of wireless devices, and a shift of users' habit from web browsing to a wide variety of bandwidth-hungry applications (e.g., high-definition video, social network and cloud uploading), have made today's WLANs not only crowded, but also low at throughput.

The latest IEEE WLAN amendment-802.11ac responds to these challenges by introducing a set of novel physical (PHY) and medium access control (MAC) features, including downlink multi-user Multiple-Input and Multiple-Output (MU-MIMO), higher modulation and coding scheme, channel bonding, frame aggregation, etc. Among them, downlink MU-MIMO is one of the most important features due to its potential to significantly improve the performance. It allows the access point (AP) to transmit frames to multiple stations (STAs) in parallel, which can substantially increase the network throughput, as well as to mitigate high collision rates.

On the other side, recent research advances on the full-duplex (FD) transmission open another line to improve the performance of wireless network in dense areas. FD transmissions in wireless networks break the long-hold assumption that nodes can not transmit and receive simultaneously using the same frequency. This exciting progress not only promises a twofold capacity increase by allowing concurrent transmission and reception, but could also bring revolutionary changes to the MAC design by shaking the foundation of IEEE 802.11 medium access mechanism-Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). As CSMA/CA can become obsolete, and be replaced by the on-the-fly collision detection thanks to the FD's capability of simultaneous transmission and reception.

However, these two lines of PHY advances (i.e., MU-MIMO and FD) do not directly translate to the useful performance gains at the MAC layer (e.g., the throughput increase). In order to take full benefits of MU-MIMO and FD, adaptations of the current IEEE 802.11 MAC protocols are needed. In this thesis, we first investigate the prominent MAC proposals in the literature, and then propose the required MAC adaptations to support MU-MIMO downlink and uplink transmissions separately. After that, we combine the downlink and uplink adaptations into a unified MU-MIMO MAC protocol to look into what influence would bring to the uplink or the downlink when both up/down-link traffic are present. We extensively evaluate the performance of the proposed protocol in saturated and non-saturated conditions to emulate the highly-densed scenario and the lightly-increased traffic scenario. Next, we model and evaluate the new IEEE 802.11ac standard MAC operations, and compare them with our proposals in a wireless mesh backhaul network. Afterwards, we utilize full-duplex technique and propose a full-duplex MAC (FD+) scheme to improve the performance of a wireless system. We analytically model FD transmissions and investigate what gains can be achieved at the MAC layer. Finally, we conclude our work and look into the future directions. Results from simulations and analytic models show that the significant performance gain can be achieved by extending traditional IEEE 802.11 MAC schemes to support MU-MIMO and FD transmissions.

Les xarxes sense fils basades en l'estàndard IEEE 802.11, sobretot aquelles que funcionen en mode infraestructura, conegudes com a xarxes WLAN o Wi-Fi, han tingut molt d'èxit i s'han convertit en una part indispensable de la nostra vida tant a les llars com als llocs de treball. No obstant això, el ràpid creixement dels dispositius sense fils, i un canvi d'hàbits dels usuaris des de la navegació web cap a una àmplia varietat d'aplicacions que requereixen un gran ample de banda (per exemple, vídeo d'alta definició, les xarxes socials o la càrrega de continguts al núvol), han fet que les WLAN d'avui en dia tinguin un baix rendiment. La pròxima generació de WLANs, basades en el nou estàndard IEEE 802.11ac, respon a aquests reptes mitjançant la introducció d'una sèrie de novetats a nivell físic (PHY) i a nivell d'accés al medi (MAC), incloent l'enllaç de baixada Multi-user Multiple-Input Multiple-Output (MU-MIMO), un nou esquema de modulació i codificació, canals amb major amplada de banda i l'agregació de trames. Entre ells, l'enllaç de baixada MU-MIMO és una de les novetats més importants per a millorar significativament el rendiment de les xarxes WLAN, ja que permet que el punt d'accés (AP) pugui transmetre trames a múltiples estacions (STA) en paral•lel, cosa que pot augmentar substancialment el rendiment de la xarxa, així com mitigar les altes taxes de col•lisió.

D'altra banda, els avenços recents en investigació sobre la transmissió full-duplex (FD) obren una altra línia per millorar el rendiment de les xarxes WLAN amb molts usuaris. Transmissions full-duplex en xarxes sense fils trenquen la suposició que diu que els nodes no poden transmetre i rebre simultàniament usant la mateixa freqüència. Aquest emocionant avenç no només promet un augment de capacitat en permetre la transmissió i recepció simultània, sinó que també podria portar canvis revolucionaris en el disseny MAC sacsejant els fonaments del mecanisme Carrier Sense Multiple Access amb prevenció de col•lisions (CSMA/CA). Així, el CSMA/CA pot arribar a ser obsolet i ser reemplaçat per un sistema de detecció de col•lisions gràcies a la capacitat de transmissió i recepció simultània dels nodes que suportin full-duplex.

No obstant això, aquestes dues línies d'avenços PHY (és a dir, MU-MIMO i FD) no es tradueixen directament en guanys de rendiment útils a la capa MAC (per exemple, l'augment de rendiment). Per tal de tenir beneficis per fer servir MU-MIMO i FD, es necessita adaptar els actuals protocols MAC. En aquesta tesi, primer examinem les propostes de protocols MAC existents a la literatura i, a continuació, mostrem els nostres esforços en la introducció de les adaptacions necessàries per donar suport MAC MU-MIMO a l'enllaç descendent i a l'enllaç ascendent per separat. Després d'això, combinem les adaptacions per a l'enllaç descendent i ascendent en un protocol MU-MIMO MAC unificat i avaluem el seu rendiment tant en condicions saturades com no saturades. A continuació, anem a modelar i avaluar el funcionament del nou IEEE 802.11ac MAC, i els comparem amb les nostres propostes en una xarxa mallada sense fils (xarxa back-haul). A continuació, es proposa un MAC que suporta full-duplex (FD+) per millorar les prestacions dels sistemes sense fils, on analíticament modelem transmissions FD i investiguem quins guanys es poden aconseguir a la capa MAC. Finalment, presentem les conclusions del nostre treball i plantegem les direccions futures en aquest camp de recerca.