マルチチャネル CSMA 無線ネットワークにおけるチャネル割当方式に関する研究

マルチチャネルCSMA無線ネットワークにおけるチャネル割当方式に関する研究マルチチャネルCSMA無線ネットワークにおけるチャネル割当方式に関する研究政策・メディア研究科修士課程 2年学籍番号 89932647 古坂大地 furu@mag.keio.ac.jp

発表概要 • 研究背景 • シングルチャネルCSMA無線網の問題点 • 搬送波検知，RTS/CTSの弊害 • 本研究の目的 • 負荷分散型チャネル選択方式の提案 • LSCS : Load Sensitive Channel Selection Scheme • シミュレーション評価 • まとめと今後の展望

はじめに • コンピューティングパラダイムの変化 • 可搬性の高いデバイスの出現 • 無線ネットワークの爆発的な普及 • 移動型コンピューティング環境の変化 • 無線通信技術の問題 • 乏しい帯域資源 • 高遅延，低通信速度 • 電波干渉 • 同一チャネル干渉問題，ブロッキング問題

従来型無線通信 シングルホップ無線網アドホックネットワークマルチホップ無線網研究背景 (1)有線･無線網接続形態の変化 Wireless Wired Wireless Wired Infrastructure (FWA) Independent (Ad-Hoc)

シングルチャネルCSMAの問題点 • 搬送波検知メカニズムの弊害 • 見え過ぎる端末問題 • 隠れ端末問題 • RTS/CTSメカニズムの弊害 • NAVブロッキング問題 • 従来の無線網はシングルチャネルアクセスが大多数 • マルチホップ無線網では顕著に起こる

隠れ端末問題 見え過ぎる端末問題シングルチャネルMACの問題点 (1)搬送波検知メカニズムの弊害 C D C D A B A B

シングルチャネルMACの問題点 (1)搬送波検知メカニズムの弊害見え過ぎる端末問題隠れ端末問題 A C B D

DATA RTS CTS ACK シングルチャネルMACの問題点 (2)RTS/CTSメカニズムによる弊害 A B C D NAVブロッキング問題

シングルチャネルMACの問題点 (2)RTS/CTSメカニズムによる弊害シングルチャネル無線網では，効率的なマルチホップ通信を実現することができない A C B D

マルチチャネル無線網の適応 A C B D 不要な衝突およびブロッキングの回避

本研究の目的 • マルチホップ/マルチチャネルCSMA無線網における効率的なチャネル利用の実現 • 負荷分散型チャネル選択方式 • LSCS : Load Sensitive Channel Selection • 各局における自律分散機能 • RTS/CTS の交換による通信

負荷分散型チャネル選択方式LSCS : Load Sensitive Channel Selection • トラフィックの監視・記録 • トラフィック・グラフの生成 • トラフィックの場の抽出 • チャネル利用率の計算 • 各トラフィックの場の総トラフィック量の算出 • チャネル利用率の期待値の計算 • 通信チャネルの選択 • 各チャネル利用率の比較 • 通信チャネルの切替

LSCSの動作概要 (1) トラフィック監視開始 • RTS/CTS情報の利用 • トラフィック量 • 送信時間量 • 送信元アドレス • 送信先アドレス • 隣接局アドレス • 隣接関係補間情報 • 全チャネル同時監視チャネル選択 RTS/CTS受信チャネル利用率計算トラフィック量記録総トラフィック量計算トラフィックグラフ生成 NO トラフィックグラフ処理監視終了? YES

LSCSの動作概要 (2)

Traffic 1 Traffic 2 チャネル利用率の見積もり誤り期待値 Traffic 1 Traffic 1+2 Traffic 2 LSCSの動作概要 (3) 相互干渉しない位置関係ｔ

「トラフィックの場」の概念 • トラフィック量の単純加算可能な局の集合単位 • 条件:同時にトラフィックが発生しない • すべての局が相互干渉関係にある局の集合

トラフィック・グラフの生成

トラフィックの場の抽出 (1) • トラフィックの場の条件 • 隣接局のクリーク • 同時存在可能条件 • 極大クリーク • 頂点を共有しない • 測定局から最大限離れている • 隣接局の重み付け • 受信信号出力

トラフィックの場の抽出 (2) 4 5 6 7 3 9 12 10 1 2 11 8

チャネル利用率の計算 • チャネル利用率λとは • あるチャネルにおいてトラフィック監視期間に対してトラフィックの発生した割合ρ • トラフィックの場毎の総トラフィック量の計算  単純総和計算 • チャネル利用率の期待値を求める • トラフィックの場毎の独立事象

関連研究 • マルチホップ/マルチチャネル無線MAC • [Haas97] • 予約割当方式，ポーリング • マルチチャネルCSMA無線MAC • [Nasipuri00] • SINRベース，隠れ端末問題 • マルチホップ負荷分散型無線MAC • [Ozugur98] • シングルチャネル (AIR)，コンテンション時間，ポーリング

関連研究との比較

シミュレーション評価 • Network Simulator 2 (NS-2) によるシミュレーション評価 • 評価1シングル・マルチチャネルCSMA無線網の性能評価 • 評価2チャネル選択アルゴリズムの性能評価

シミュレーションモデル (1) • 平面　　1000m×1000m • ノード数　　　　　　　100台 • 格子状静止配置 • 配置間隔 100m • 伝送距離 250m

シミュレーションモデル (2) • 固定長パケットの送信 • 呼の発生は指数分布に従う • 1000秒間のフロー測定 • 経路制御プロトコル　DSR

評価 1: シングル/マルチチャネルCSMA無線網の評価 • チャネル数 • 1, 2, 3, 4 • 測定項目 • 平均スループット • 衝突パケット数 • 中継局におけるパケット損失(バッファオーバフロー数)

評価 1: 平均スル―プット 106％ 105％

評価 1: 平均衝突パケット数 チャネル数増加により減少

評価 1: オーバフロー数 チャネル数増加により減少

STATIC システム起動時にランダムで通信チャネルを選択 RANDOM パケット送信時にランダムで通信チャネルを選択 LSCS 1秒間の各チャネルのチャネル利用率から送信チャネルを選択評価 2: チャネル選択アルゴリズムの評価

評価 2: 平均スループット

評価 2: 平均衝突パケット数

評価 2: オーバフロー数

まとめ • マルチチャネルCSMA無線網におけるMACプロトコルを提案 • LSCS : 負荷分散型チャネル選択方式 • 「トラフィックの場」の概念 • チャネル利用率の計算 • シングルチャネル/マルチチャネルCSMA無線網の基本性能評価を行った

今後の課題 • シングルチャネルとマルチチャネルのトレードオフの評価 • デバイスの実現性の考慮 • Dual Channel Wireless LANs • アルゴリズムに信頼性

主な発表論文一覧 • 古坂, 岩本, 永田, 西尾, 徳田　「無線LANにおけるセル制御システムに関する研究」　情報処理学会オペレーティング・システムおよびシステムソフトウェア研究会報告, 1999 • Furusaka, Iwamoto, Nagata, Tokuda “Load-Sensitive Handover Scheme over Wireless Local Area Networks” IEEE ICDCS Workshop on WNMC, 2000 • 古坂, 徳田　「マルチチャネルCSMA無線網における負荷分散型チャネル選択方式に関する研究」マルチメディア,分散,協調およびモバイルシンポジウム (DiCoMo2001), 2001

チャネル利用率の計算 (2) • トラフィックの発生した割合 • チャネル利用率の期待値を求める • トラフィックの場毎の独立事象 CALCCHANNELUTILIZATION() utilization ← 1for each TrafficSpot K ∈SPOTweight[K] ←CALCTRAFFIC (K) / PERIOD utilization ← utilization × (1 – weight[K])return utilization

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