Towards spatial reuse in future wireless local area networks: a sequential learning approach

Abstract

The Spatial Reuse (SR) operation is gaining momentum in the latest IEEE 802.11 family of standards due to the overwhelming requirements posed by next-generation wireless networks. In particular, the rising traffic requirements and the number of concurrent devices compromise the efficiency of increasingly crowded Wireless Local Area Networks (WLANs) and throw into question their decentralized nature. The SR operation, initially introduced by the IEEE~802.11ax-2021 amendment and further studied in IEEE 802.11be-2024, aims to increase the number of concurrent transmissions in an Overlapping Basic Service Set (OBSS) using sensitivity adjustment and transmit power control, thus improving spectral efficiency. Our analysis of the SR operation shows outstanding potential in improving the number of concurrent transmissions in crowded deployments, which contributed to enabling low-latency next-generation applications. However, the potential gains of SR are currently limited by the rigidity of the mechanism introduced for the 11ax, and the lack of coordination among BSSs implementing it. The SR operation is evolving towards coordinated schemes where different BSSs cooperate. Nevertheless, coordination entails communication and synchronization overhead, which impact on the performance of WLANs remains unknown. Moreover, the coordinated approach is incompatible with devices using previous IEEE 802.11 versions, potentially leading to degrading the performance of legacy networks. For those reasons, in this thesis, we start assessing the viability of decentralized SR, and thoroughly examine the main impediments and shortcomings that may result from it. We aim to shed light on the future shape of WLANs concerning SR optimization and whether their decentralized nature should be kept, or it is preferable to evolve towards coordinated and centralized deployments. To address the SR problem in a decentralized manner, we focus on Artificial Intelligence (AI) and propose using a class of sequential learning-based methods, referred to as Multi-Armed Bandits (MABs). The MAB framework suits the SR problem because it addresses the uncertainty caused by the concurrent operation of multiple devices (i.e., multi-player setting) and the lack of information in decentralized deployments. MABs can potentially overcome the complexity of the spatial interactions that result from devices modifying their sensitivity and transmit power. In this regard, our results indicate significant performance gains (up to 100\% throughput improvement) in highly dense WLAN deployments. Nevertheless, the multi-agent setting raises several concerns that may compromise network devices' performance (definition of joint goals, time-horizon convergence, scalability aspects, or non-stationarity). Besides, our analysis of multi-agent SR encompasses an in-depth study of infrastructure aspects for next-generation AI-enabled networking.

L'operació de reutilització espacial (SR) està guanyant impuls per a la darrera família d'estàndards IEEE 802.11 a causa dels aclaparadors requisits que presenten les xarxes sense fils de nova generació. En particular, la creixent necessitat de tràfic i el nombre de dispositius concurrents comprometen l'eficiència de les xarxes d'àrea local sense fils (WLANs) cada cop més concorregudes i posen en dubte la seva naturalesa descentralitzada. L'operació SR, inicialment introduïda per l'estàndard IEEE 802.11ax-2021 i estudiada posteriorment a IEEE 802.11be-2024, pretén augmentar el nombre de transmissions concurrents en un conjunt bàsic de serveis superposats (OBSS) mitjançant l'ajustament de la sensibilitat i el control de potència de transmissió, millorant així l'eficiència espectral. El nostre estudi sobre el funcionament de SR mostra un potencial destacat per millorar el nombre de transmissions simultànies en desplegaments multitudinaris, contribuint així al desenvolupament d'aplicacions de nova generació de baixa latència. Tot i això, els beneficis potencials de SR són actualment limitats per la rigidesa del mecanisme introduït per a l'11ax, i la manca de coordinació entre els BSS que ho implementen. L'operació SR evoluciona cap a esquemes coordinats on cooperen diferents BSS. En canvi, la coordinació comporta una sobrecàrrega de comunicació i sincronització, el qual té un impacte en el rendiment de les WLAN. D'altra banda, l'esquema coordinat és incompatible amb els dispositius que utilitzen versions anteriors IEEE 802.11, la qual cosa podria deteriorar el rendiment de les xarxes ja existents. Per aquests motius, en aquesta tesi s'avalua la viabilitat de mecanismes descentralitzats per a SR i s'analitzen minuciosament els principals impediments i mancances que se'n poden derivar. El nostre objectiu és donar llum a la futura forma de les WLAN pel que fa a l?optimització de SR i si s'ha de mantenir el seu caràcter descentralitzat, o bé és preferible evolucionar cap a desplegaments coordinats i centralitzats. Per abordar SR de forma descentralitzada, ens centrem en la Intel·ligència Artificial (AI) i ens proposem utilitzar una classe de mètodes seqüencials basats en l'aprenentatge, anomenats Multi-Armed Bandits (MAB). L'esquema MAB s'adapta al problema descentralitzat de SR perquè aborda la incertesa causada pel funcionament simultani de diversos dispositius (és a dir, un entorn multi-jugador) i la falta d'informació que se'n deriva. Els MAB poden fer front a la complexitat darrera les interaccions espacials entre dispositius que resulten de modificar la seva sensibilitat i potència de transmissió. En aquest sentit, els nostres resultats indiquen guanys importants de rendiment (fins al 100 \%) en desplegaments altament densos. Tot i això, l'aplicació d'aprenentatge automàtic amb múltiples agents planteja diversos problemes que poden comprometre el rendiment dels dispositius d'una xarxa (definició d'objectius conjunts, horitzó de convergència, aspectes d'escalabilitat o manca d'estacionarietat). A més, el nostre estudi d'aprenentatge multi-agent per a SR multi-agent inclou aspectes d'infraestructura per a xarxes de nova generació que integrin AI de manera intrínseca.