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

研究背景 (1)

有線 無線網接続形態の変化･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

Wireless

Wired

Wired

Wireless

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

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

隠れ端末問題 見え過ぎる端末問題

A B

C D

A B

C D

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

A

B

C

D

見え過ぎる端末問題

隠れ端末問題

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

RTS

CTS

DATA

ACK

B

C D

A

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

C

DB

A 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

マルチチャネル無線網の適応

A

B

C

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 受信

トラフィック量記録

トラフィックグラフ生成

監視終了 ?

チャネル利用率計算

チャネル選択

総トラフィック量計算

トラフィックグラフ処理

NO

YES

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

LSCS の動作概要 (2)チャネル番号

利用率

チャネル 1 0.745チャネル 2 0.437チャネル 3 0.571

LSCS の動作概要 (3)

Traffic 2Traffic 1

Traffic 1 Traffic 2

相互干渉しない位置関係

チャネル利用率の見積もり誤り

ｔ

Traffic 1+2期待値

「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)

1 2

3

4 5

6 7

8

9

1011

12

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

)1(1||

1

SPOT

iic

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

チャネル数

アクセス方式

負荷分散

制御コスト

装置導入コスト

Haas MultiChann

el

Slotted-TDMA

△ × △

Nasipuri

MultiChann

el

CSMA △ ○ ×

Ozugur

SingleChann

el

CSMA+RTS/CTS

○ × ○

LSCS MultiChann

el

CSMA+ RTS/CTS

○ △ △

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

パケット長 512 Bytesパケット送信レート

5, 10, 20, 50,100 pkts/sec

チャネル帯域幅

2.0 Mbps

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

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Flow Rate (kbps)

Thro

ughp

ut (k

bps)

1234

105％

106％

評価 1: 平均衝突パケット数

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Flow Rate (kbps)

Num

ber o

f Col

lisio

ns (P

acke

ts)

1234

チャネル数増加により減少

評価 1: オーバフロー数

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Flow Rate (kbps)

Num

ber o

f Ove

rflo

wn

Pack

ets

(Pac

kets

) 1234

チャネル数増加により減少

評価 2: チャネル選択アルゴリズムの評価

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: 平均スループット

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Flow Rate (kbps)

Thro

ughp

ut (k

bps) STATIC-2

RANDOM-2LSCS-2STATIC-3RANDOM-3LSCS-3STATIC-4RANDOM-4LSCS-4

評価 2: 平均衝突パケット数

0.0

50000.0

100000.0

150000.0

200000.0

250000.0

300000.0

350000.0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Flow Rate (kbps)

Num

ber o

f Col

lisio

ns (P

acke

ts)

STATIC-2RANDOM-2LSCS-2STATIC-3RANDOM-3LSCS-3STATIC-4RANDOM-4LSCS-4

評価 2: オーバフロー数

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Flow Rate (kbps)

Num

ber o

f Ove

rflo

wn

Pack

ets

(Pac

kets

)

STATIC-2RANDOM-2LSCS-2STATIC-3RANDOM-3LSCS-3STATIC-4RANDOM-4LSCS-4

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 , 1999Furusaka, 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 ← 1 for each TrafficSpot K ∈ SPOT

weight[K] ← CALCTRAFFIC (K) / PERIOD utilization ← utilization × (1 – weight[K])

return utilization

)1(1||

1 Ti

SPOT

i