Self-optimization of Radio Resources on IEEE 802.11 Networks
Authors:   , García Villegas Eduardo 
Published: September 2023

Les xarxes d'àrea local sense fils (WLANs), principalment les basades en les diverses versions de les normes IEEE 802.11, i més concretament, aquelles operant en mode infraestructura (ús de punts d'accés o APs), són avui dia les tecnologies més populars per a l'accés ràdio de banda ampla a xarxes IP, ja sigui per a estendre petites xarxes LAN domèstiques (SOHO), o per a proporcionar accés d'Internet en espais públics. A més, amb l'arribada de productes amb el certificat Wi-Fi, els diferents fabricants de dispositius WLAN proporcionen un alt nivell d'interoperabilitat.<br/><br/>No obstant això, la creixent densitat de punts d'accés WLAN ha començat a revelar els efectes negatius i les deficiències de les normes IEEE 802.11 inicials. Un dels factors clau del seu èxit, l'ús de la bandes de freqüència lliures (bandes ISM), és al mateix temps un dels seus grans inconvenients. Aquestes freqüències són de lliure accés al públic en general, i es defineixen dins d'una petita porció de l'espectre. En conseqüència, són generalment compartides entre diversos usuaris, dispositius de tecnologies diferents, etc.. A més, el control d'accés al medi definit per l'IEEE 802.11 (CSMA, o "escoltar abans de parlar") requereix una atenció especial a tots els problemes sorgits al voltant de les interferències.<br/><br/>En aquest escenari, les xarxes WLAN IEEE no estan en condicions d'arribar a explotar tot el seu potencial. Malgrat aquest fet, unes polítiques intel·ligents sobre la gestió dels recursos ràdio (RRM) poden ajudar a reduir al mínim els efectes perjudicials de les interferències i d'una distribució desigual de la càrrega oferta. En aquesta tesi, es demostra que els mecanismes de RRM eficients són capaços de millorar notablement el rendiment d'una WLAN basada en l'IEEE 802.11.<br/><br/>Aquesta tesi estudia la forma d'entendre els problemes de rendiment que són endèmics en les WLANs IEEE 802.11, així com les formes de minimitzar aquests efectes negatius per mitjà de la gestió de recursos ràdio. De fet, aquests problemes no són nous i han estat àmpliament estudiats des de l'aparició de xarxes de comunicacions mòbils, però les característiques particulars de les xarxes WLAN 802,11 requereixen nous enfocaments.<br/>Els mecanismes RRM en l'àmbit de les xarxes WLAN IEEE 802.11 són bàsicament destinats a reduir el grau de contenció i la interferència. Aquesta reducció es tradueix en una millor qualitat d'experiència (QoE), d'acord amb la percepció dels usuaris. Amb aquesta finalitat, RRM ha de proporcionar mecanismes eficients d'assignació de canals, algoritmes de selecció de modulació, control de potència i repartiment de càrrega. Atesa la naturalesa dinàmica de la propagació ràdio, i a causa de la mobilitat dels usuaris, els paràmetres que defineixen l'entorn sense fils varien amb el temps. Llavors, per tal de mantenir el rendiment en nivells acceptables, s'han de trobar mecanismes RRM que permetin una reconfiguració automàtica i dinàmica de la xarxa en resposta als canvis en el medi. En resum, podem construir el nostre escenari d'interès a partir de dispositius Wi-Fi intel·ligents capaços de cooperar, ja sigui de forma centralitzada o distribuïda, per tal de fer un millor ús dels minsos recursos ràdio.<br/><br/>La nostra contribució als mecanismes RRM en xarxes WLAN s'inicia amb l'estudi i la caracterització de la interferència en l'àmbit particular de les xarxes IEEE 802.11. A continuació, desenvolupem un model de capacitat per a grans xarxes WLAN multi cel·la que té en compte tant l'efecte de la càrrega de la xarxa, com el de les interferències entre cel·les. El model també inclou l'efecte de l'adaptació automàtica de modulació que porten a terme molts dispositius. Aquestes estimacions de la capacitat són útils per a avaluar els beneficis d'un mecanisme RRM. Per exemple, aquestes estimacions són la base sobre la qual desenvolupem una innovadora solució per a la gestió de freqüències. Aquest mecanisme d'assignació de freqüències fa ús de tot l'espectre disponible (tant si es tracta de canals ISM solapats o no), ja que té en compte els efectes dels dos tipus d'interferència que trobem en xarxes IEEE 802.11: co-canal i per canal adjacent. Per tal de fer front a una distribució desigual de la càrrega, fet que es dóna típicament en els anomenats hotspots, es proposen dos mecanismes de repartiment de càrrega (un cop definit el concepte de càrrega): un enfocament distribuït gestionat per les estacions client, i un mecanisme de "cell breathing".<br/><br/>Tots aquests mecanismes han de ser integrats en una arquitectura de gestió aglutinadora. En aquest sentit, s'han desenvolupat dues arquitectures de RRM: una arquitectura centralitzada, com a part del projecte UAMN, i un sistema distribuït.
WLANs, primarily the various versions of IEEE 802.11 standards, and more precisely, those operating in infrastructure mode, are nowadays the most popular technologies for providing broadband radio access to IP networks, whether to extend Small Office/Home Office (SOHO) network LANs or to provide Internet access in public places. Moreover, with the advent of Wi-Fi certified products, different competitive brands of WLAN devices are interoperable at a basic level of service.<br/><br/>However, the increasing density of WLAN access points has started to reveal the negative effects and shortcomings of the original IEEE 802.11 standards. One of its key success factors, the use of unlicensed Industrial Scientific Medical (ISM) frequency bands, is at the same time one of its major drawbacks. These frequencies are freely available to the general public. On the other hand, such frequencies are defined within a small portion of the spectrum and are usually shared among several users. Besides, the medium access defined by the IEEE 802.11 (CSMA, or "listen before talk") requires a special attention to all interference issues.<br/><br/>In this scenario, IEEE WLANs are unable to exploit all their potential. However, intelligent radio resource management (RRM) policies could be applied to minimize the harmful effects of interference and an uneven load distribution. Throughout this dissertation, it is shown that efficient RRM mechanisms are able to improve notably the performance of a legacy IEEE WLAN.<br/>This thesis explores ways of understanding the performance issues that are endemic to IEEE 802.11 WLANs, as well as ways of minimizing these negative effects by means of radio resource management. In fact, these problems are not new and have been studied extensively since the advent of mobile communications networks, but the particular characteristics of the 802.11 WLANs require new approaches.<br/><br/>RRM mechanisms in the field of IEEE 802.11 WLANs are basically intended to reduce contention and interference. This reduction is translated into an improved Quality of Experience (QoE), as perceived by the users. To this end, RRM should provide efficient channel allocation mechanisms, modulation selection algorithms, power control and load balancing. Given the dynamic nature of radio propagation, and due to user mobility, the parameters that define the wireless environment vary in time. Therefore, in order to maintain the required performance, we should find mechanisms that allow a dynamic and automatic reconfiguration of the network in response to the changes in the environment. To sum up, we build our scenario of interest with intelligent Wi-Fi devices capable of cooperating either in a centralized or a distributed manner, in order to make a better use of the shared and scarce radio resources.<br/><br/>Our contribution to RRM on WLANs starts with the study and characterization of interference in the particular field of IEEE 802.11 networks. Following, we develop a capacity model for large WLAN deployments that takes both the effect of carried traffic and inter-cell interference into account. The model also includes the effect of rate adaptation. These capacity estimations are useful to evaluate the benefits of a RRM mechanism, for example, it was used as the metric observed by a frequency management approach. This frequency assignment mechanism makes use of all the available spectrum (overlapping and non-overlapping ISM channels), since it takes the effects of both co-channel and adjacent-channel interference into account. In order to cope with the uneven load distribution usually found on hot-spots, two load balancing mechanisms are proposed after defining the concept of load: a client-driven approach, and a cell-breathing mechanism. All these mechanisms need to be integrated into a single architecture. In this regard, two radio resource management architectures are developed: a centralized architecture, as part of the UAMN project, and a distributed scheme.