Wireless Packet Scheduling with Signal-to

Report
Design and Implementation of
Wireless Packet Scheduling with
Signal-to-Noise Ratio Monitoring
慶応義塾大学 環境情報学部
間 博人
発表内容
背景
問題意識
SNR-based Packet Scheduling (SPS)






設計および実装
評価
結論
研究背景


無線ネットワークの普及
無線ネットワークの特徴
WAN
/ LAN
The
Internet
Gateway
Base Station
Mobile Host
無線ネットワークの特徴


干渉,減衰,マルチパスフェージングといった
無線特有の現象によりエラーが生じる
ホストの移動や、周期的な干渉に応じて回線品
質が変化する
MH3
MH6
MH1
MH4
AP
MH2
Wired Link
MH5
無線資源を効率的に利用する
回線品質に適応する枠組みの
提供の必要性
関連研究:無線パケットスケジューリング

CSDPS :
Channel State Dependent Packet Scheduler


基地局が無線端末との回線品質を予測
回線品質がGood であれば送信しBadであれ
ば送信しない
回線品質はGood or Bad の2通りだけで十分か?
回線品質の粒度 1

回線品質の指標として SNR (Signal-to-Noise
Ratio) に注目

受信信号電力と雑音電力の比から計算する
SNR  10Log10 S (W ) N (W )

S: signal
N: noise
SNR から回線品質を定義する上でいくつか方法
が考えられる



Good or Bad
粗
何段階かのクラスを作成する
直接 SNR を利用
細
回線品質の粒度 2:
SNR と UDP throughput の関係
1000










throughput [kbps]

750



500

250


0


0
NCR WaveLAN を 利用
有線ホストから無線ホスト
へ UDP フローを送信
無線ホストで3秒おきに
SNR の平均とUDP
throughput を測定
SNR と UDP throughput の関係を見ると
必ずしも Good or Bad ではない
5
10
SNR [dB]
[db]
15
回線品質の粒度 3


CSDPSでは非常に小さいタイムスケールでのパ
ケットスケジューリングを想定している
ソフトウェアで実装するような long-term のパ
ケットスケジューリングの場合より細かい粒度で
回線品質を定義する必要がある
SPS:SNR-based Packet Scheduling



ソフトウェア上で実現可能な無線パケットスケ
ジューリング機構
回線品質の指標として SNR を用いる
回線品質の粒度を変更可能
設計および実装
SPS の設計
無線端末側
無線基地局側
無線端末 A
The Internet
無線基地局
無線端末 B
SPS の設計
無線端末側
無線基地局側
SPS SNR Table
SNR Frame
SNR Frame
Sender SNR Notification Receiver
無線端末 A
Scheduling
Policy
Bandwidth Allocator
The Internet
Host A
SPS
Scheduler
無線端末 B
Host B
Host C
SPS
Classifier
スケジューリングポリシ

SPS Good/Bad (SPS-G/B)
閾値 D を設定し、D以上であれば weight=1, D 以下であれば weight=0


SPS Piece-wise linear (SPS-PW)
任意に閾値を設定

1
1
0.9
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.1
0.2
Bad
0
2
4
6
l
Bad
D1
0.1
D
0
8
Good
0.8
0.7
0.2
SPS Piece-wise linear
0.9
w
w
0.8
Good
SPS G/B
10
0
0
2
Relationship between SNR and weight
D2
D4
D3
4
6
l
8
10
30
25
SNR の振動への対応:
SNR
20
Smoothed SNR (SSNR)
15
10
5
0
0
100
200
300
400
500
600
700
時間(sec)



800
900
SNR は振動する為、直接 SNR を用いると割り当
て帯域が振動する
SPSでは、long-term での回線品質の指標を得
たいので局地的な値は使用したくない
SNR Frame Sender は、平均SNRに low pass
filtering した値を SSNR とし通知に用いる
Calculate SSNR:
ssnr = α snr + (1 - α)ssnr
1000
実装



FreeBSD 3.4 の カーネルを拡張
ALTQのキューイング方式の一つ として実装
スケジューリングポリシー は ALTQの設定
ファイルに記述する
ex. spsp gb 15
spsp pw [5 0] [10 10] [20 80] [25 100]
評価
パケット転送の為のオーバーヘッド


PW: (D1=3dB, D2=5dB, D3=7dB, D4=9dB)
GB1: D=3dB GB2: D=6dB GB3: D=9dB
Scheduling 平均
[ms]
最大
[ms]
FIFO
GB1
2629
2638
2655
2668
GB2
GB3
2638
2638
2667
2667
• SPSを適用することで、
0.4 % 程度のパケット転送
によるコストが発生する
PW
2637
2679
UDP 1パケットを無線基地局で処理する為の時間
(受信インタラプトから送信完了インタラプトまで) を100回測定
実験時の変数
α: 0.4
Weight 切り替え間隔 : 3 s
通知フレーム送信間隔: 200ms
UDP flow: 1470byte, 2000kbps
平均SNR: MH1: 5.9dB, MH2-MH8: 25dB
実験環境






FreeBSD 3.4 + SPS カーネル
NCR WaveLAN を利用
MH1の電波状態が悪い環境
CH からMHへ CBR UDPフ
ローを送信し 3秒毎に5分間
UDP throughput を測定
AP において FIFO, SPS-GB,
SPS-PW を適用する
MHを2台、4台、8台で実験
throughput [kbps]
各MH におけるUDP
throughputの推移:
MH 8台時
350
MH1
MH2
MH3
MH4
MH5
MH6
MH7
MH8
300
FIFO
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
time [s]
350
350
GB3
250
throughput [kbps]
MH1
MH2
MH3
MH4
MH5
MH6
MH7
MH8
200
150
300
200
150
100
100
50
50
0
0
0
20
40
60
time [s]
80
100
MH1
MH2
MH3
MH4
MH5
MH6
MH7
MH8
PW
250
throughput [kbps]
300
0
20
40
60
time [s]
80
100
Total throughput とスケーラビリティー
1200
G B3
PW
throughput [kbps]
1000
PW: +3%
GB3: -0.4%
G B2
G B1
800
FIFO
600
400
200
0
0


2
4
6
num ber of client hosts
8
台数増加による性能のほとんど劣化は見られない
FIFO に対し GB3, PW は転送効率を最大40% 改善
無線端末毎のUDP throughput:
MH 8台時
1200
992.5
throughput [kbps]
1000
800
600
400
200
0
8.4
95.8
216.7
MH2
MH3
167.7
MH4
95.3
MH5
145.0
MH6
165.6
83.0
FIFO

MH1
1098.4
1094.1
0
157.1
46.7
MH1
MH2
141.7
MH2
157.1
MH3
144.3
MH3
157.1
MH4
151.1
MH4
157.1
MH5
141.2
MH5
157.2
MH6
166.1
MH6
155.6
MH7
159.2
MH7
157.1
MH8
143.8
MH8
MH7
MH8
GB3
PWはMH1への帯域を確保できている
PW
結論



回線品質の粒度が可変である無線パケットスケ
ジューリング方式 SPSを提案した
UDP 中心のトラフィックでは SPS を利用する事
で無駄な帯域が減少することを確認した
スケーラビリティーの点において十分耐えうる機
構であることを確認した.
今後の課題



現実的なデータでの性能解析
回線品質通知の間隔、SSNR計算時の α、閾値
などの値の決定方法と変更した場合の評価
適応的誤り訂正 (Dynamic FEC 等) と SPS の
関係についての考察
Q and A
Fluctuation of SNR in time
scale
30
30
25
25
20
SNR
SNR
20
15
15
10
10
5
5
0
0
100
200
300
400
0
0
100
200
300
400
500
時間(sec)
600
700
800
900
1000
Y axis: SNR(db)
500
600
時間(sec)
X axis: time(sec)
SNR is fluctuation ±2 in same point.
700
800
900
1000
無線端末毎の通信効率:
MH 8台時
1200
992.5
throughput [kbps]
1000
800
600
400
8.4
95.8
216.7
167.7
95.3
145.0
200
0
MH2
MH3
83.0
1082.0
105.1 MH1
84.3
138.4 MH2
142.2 MH2
138.4 MH3
MH1
157.1 MH2
157.1 MH3
142.2 MH3
1094.1
46.7 MH1
141.7 MH2
144.3 MH3
157.1 MH4
151.1 MH4
157.1 MH5
141.2 MH5
157.2 MH6
166.1 MH6
138.3 MH4
144.6 MH4
MH5
138.4 MH5
142.2 MH5
MH6
138.3 MH6
142.1 MH6
138.4 MH7
142.2 MH7
155.6 MH7
159.2 MH7
138.3 MH8
142.2 MH8
157.1 MH8
143.8 MH8
GB1
GB2
GB3
MH4
165.6 MH7
FIFO

MH1
1098.4
1073.5
MH8
PWはMH1への帯域を確保できている
PW

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