Interference-aware resource allocation in high-density WLANs

IEEE 802.11 wireless local area networks (WLANs) become more and more popular and widely deployed in public hotspots, enterprise environments, and residential areas to provide seamless coverage and improve user connectivity. However, the high density of Access Points (APs) and the stations (STAs) associated to each AP results in increased intra-cell and inter-cell interference, which can cause high collision rates, long backoff intervals, and degraded received signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR). To manage such interference, it is required to explore medium access control (MAC) enhancement, efficient channel assignment, and load balancing techniques, which can improve the performance experienced by users. In this work, we develop and evaluate interference-aware enhanced MAC and radio resource allocation algorithms in 802.11 WLANs, aiming to increase the network throughput. To improve the achievable throughput in a single-cell WLAN, a channel-aware adaptive carrier sensing multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) scheme is developed to take advantage of multi-user diversity, while supporting distributed and asynchronous operation. By dynamically adjusting the contention window of each STA according to its channel state, this approach prioritizes STAs who gain most from using a channel and enhances channel utilization. A three-dimensional Markov chain is developed to model and evaluate the proposed adaptive CSMA/CA, which significantly improves throughput, especially in a large network.To manage the inter-cell interference in a multi-cell WLAN, the channel assignment and AP-STA association are investigated. Applying difference-of-convex-functions (DC) programming, two different optimization problems are solved aiming to minimize interference sum utility and maximize STA throughput. Distributed schemes are also developed in which APs and STAs can self-configure channel selection and association to mitigate the interference and thereby improve the network throughput. It is shown that the proposed approaches are highly efficient and robust with fast convergence and low complexity.To balance the load and provide service customization in a multi-cell WLAN, AP-STA association and airtime control are studied in a virtualized network, where physical APs are shared by multiple Internet service providers (ISPs). More specifically, an optimization problem is formulated on the STAs' transmission probabilities to maximize the overall network throughput, while providing airtime usage guarantees for the ISPs. The algorithm to reach the optimal transmission probability and detailed implementation are also discussed. Illustrative results confirm the superior and robust performance of the developed association and airtime control scheme.Les réseaux locaux sans fil (WLANs), conformes à la norme IEEE 802.11, sont de plus en plus populaires et largement déployés dans les points d'accès, les environnements d'entreprise et les zones résidentielles afin de fournir une couverture sans failles et d'améliorer la connectivité des utilisateurs. Cependant, la haute densité des points d'accès (APs) et des stations (STAs) associées à chaque AP résulte en une hausse du brouillage intercellulaire et intracellulaire, qui peut causer des taux de collision élevés, augmenter l'intervalle de temporisation, ainsi que de dégrader le rapport signal/brouillage-et-bruit (SINR) du signal reçu. Pour gérer de tels brouillages, il est nécessaire d'explorer des techniques d'améliorations du contrôle d'accès au médium (MAC), d'attribution des canaux et d'équilibrer la charge qui peut améliorer la performance que connaissent les utilisateurs. Dans cette étude, nous développons et évaluons la couche MAC en présence d'interférence, ainsi que des algorithmes d'attribution de ressources radio dans le but d'augmenter le débit du réseau.Pour améliorer le débit réalisable au sein d'un réseau WLAN unicellulaire, une méthode adaptative d'accès multiple avec écoute de porteuse et évitement de collision (CSMA/CA), consciente des canaux, est développée pour profiter de la diversité multi-utilisateur tout en soutenant une opération distribuée et asynchrone. Cette approche améliore l'utilisation d'un canal en accordant la priorité aux stations qui bénéficient le plus de l'utilisation du canal, en ajustant dynamiquement la fenêtre de conflit de chaque station, selon son état de canal. Une chaîne de Markov à trois dimensions est conçue pour modéliser et évaluer la méthode CSMA/CA adaptative proposée qui, selon les résultats, améliore considérablement le débit, en particulier dans un grand réseau.Pour gérer les brouillages intercellulaires dans un réseau WLAN multicellulaire, l'attribution de canal et l'association AP-STA sont étudiées. En appliquant la méthode de programmation des différences de fonctions convexes (DC), deux problèmes d'optimisations différentes sont etudiées en visant la minimisation des brouillages et la maximisation du débit des stations. Des mécanismes distribués sont aussi développés dans lesquels les points d'accès et les stations peuvent auto-configurer leur sélection et association de canal afin d'atténuer les brouillages et ainsi améliorer le débit du réseau. Cette étude démontre que les méthodes proposées sont très efficaces et fiables avec une convergence rapide à faible complexité.Afin d'équilibrer la charge et de fournir un service de personnalisation dans un réseau WLAN multicellulaire, l'association AP-STA et le contrôle du temps de transmission sont étudiés dans un réseau virtuel, où des points d'accès physiques sont partagés par plusieurs fournisseurs de services internet (ISPs). Plus précisément, un problème d'optimisation est formulé, selon les probabilités de transmission des stations, dans le but de maximiser le débit global du réseau, tout en offrant des garanties de temps d'antenne pour les fournisseurs de services internet. L'algorithme pour atteindre la probabilité de transmission optimale ainsi que sa mise en œuvre sont aussi détaillés. Finalement, les résultats représentatifs confirment la performance supérieure et robuste des mécanismes proposés (pour l'association et le contrôle du temps de transmission) en tant que le débit et l'équité du réseau