2 - 小口研究室

Report
千葉大学 大学院工学研究科 都市環境システムコース 塩田研究室
千葉大学 大学院工学研究科
都市環境システムコース
塩田 茂雄
Shioda Laboratory, Chiba University
無線LAN関連の研究テーマ
■無線マルチホップネットワークにおけるクロス
レイヤQoS制御
(黄重陽君)
■ IEEE802.11ベース無線LANの性能解析法
(黄重陽君)
■ レイトレーシングの高速化技法
(日下美穂さん)
2
Shioda Laboratory, Chiba University
クロスレイヤQoS制御
■複数のレイヤのQoS制御機能を組み合わせること
で,単一レイヤより高効率なQoS制御を実現する.
■NW層での制御例
MAC層(IEEE802.11)
MAC層(IEEE802.11e)
NW層
NW層
CW小(送信待機短)
問題点
Priority
品質の相対保障(品質差別化)はで
きるが,品質の全体保障ができない
VO
VI
BE
Non-Priority
BK
CW大(送信待機長)
PQ
品質の絶対保障可
4
クロスレイヤQoS制御
Shioda Laboratory, Chiba University
■トランスポート層での制御例
アクセスポイント
優先端末
MAC層(IEEE802.11) NW層
Priority
Non-Priority
非優先
端末
PQによる抑制
PQ
品質の絶対保障可
端末からのフレーム
送信(TCP ACK)も
同時に抑制される
5
Shioda Laboratory, Chiba University
無線マルチホップNWへの拡張
メッシュポイント
(MP)
メッシュ
AP(MAP)
メッシュ
AP(MAP)
シングル無線LANと同じ制御方式を
無線マルチホップにも適用できるか?
6
無線マルチホップNWへの拡張
Shioda Laboratory, Chiba University
■考え方
①MP,MAPのネットワーク層に優先パケット,非優先パ
ケット別にバッファを用意する
②Priority Queueにより,優先パケット用バッファから
優先的にパケットを取りだし,MAC層に渡す
③MAC層(+物理層)にはIEEE802.11 DCFを適用する
④MP,MAPの優先バッファのキュー長を観測し,観測結
果に基づきMAPで適応的ROCを非優先端末に適用して,
非優先パケットを抑制する.
7
無線マルチホップNWへの適用例
■制御あり(クロスレイヤ制御)
1.0
1.0
0.1
0.1
0.01
0.001
1.0x10-4
VoIP2
VoIP4
VoIP6
VoIP8
VoIP10
1.0x10-5
1.0x10-6
Packet Loss Ratio
Packet Loss Ratio
Shioda Laboratory, Chiba University
■制御なし
0.01
0.1%
0.001
1.0x10-4
VoIP2
1.0x10-5
VoIP4
1.0x10-6
0
2
4
6
8
Number of TCP Flows
10
0
2
4
6
8
10
Number of TCP Flows
8
クロスレイヤQoS制御
■制御あり(クロスレイヤ制御)
1.0
1.0
0.1
0.1
0.01
0.001
1.0x10-4
VoIP2
VoIP4
VoIP6
VoIP8
VoIP10
1.0x10-5
Packet Loss Ratio
Packet Loss Ratio
Shioda Laboratory, Chiba University
■制御あり(IEEE802.11e)
0.01
0.1%
0.001
1.0x10-4
VoIP2
1.0x10-5
VoIP4
1.0x10-6
1.0x10-6
0
2
4
6
8
Number of TCP Flows
10
0
2
4
6
8
10
Number of TCP Flows
9
Shioda Laboratory, Chiba University
IEEE802.11
■ランダムアクセスプロトコル(共通のネット
ワークリソースを端末が自律分散的に共有・利
用して,通信を行うためのプロトコル)の一つ
■特徴
①フレームを送信する前にキャリアセンスする.
②キャリアセンスして,誰かが使っていれば,タイマ(バックオ
フタイマ)をセットしてタイマが切れるまで待つ.タイマが切れ
たら直ちにフレームを送信する.
③フレーム送信に失敗したら,やはりタイマをセットして,タイ
マが切れるまで送信を控える.タイマが切れたら再送する.
11
IEEE802.11の性能解析モデル
Shioda Laboratory, Chiba University
■スロットベースモデル
G. Bianchi, ”Performance Analysis of the IEEE802.11 Distributed Coordination
Function,” IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol. 18, no. 3, 2000.
・IEEE802.11では時間はスロット単位に離散化されて
いる.
・端末のバックオフタイマ,バックオフステージが次の
スロットでどのように変化するかをマルコフ過程でモ
デル化し,定常状態を求める.
例1:バックオフタイマが3,バックオフステージが0のとき.
次のスロットでは,確率1でバックオフタイマが2,
バックオフステージが0になる.
(通常はこのように単純な遷移で済む)
12
IEEE802.11の性能解析モデル
Shioda Laboratory, Chiba University
■スロットベースモデル(続き)
例2:バックオフタイマが0,バックオフステージが0のとき.
次のスロットではフレームを送信するが,送信に成功す
るか否かで遷移先が分かれる.
①送信に成功する場合(送信に成功する確率=(1 − )−1 )
バックオフタイマは0から31のいずれか
バックオフステージは0
②送信に失敗する場合(失敗する確率=1 − (1 − )−1 )
バックオフタイマは0から63のいずれか
バックオフステージは1
マルコフ過程の定常状態確率は陽に計算できる.
13
Shioda Laboratory, Chiba University
IEEE802.11eへの対応
■スロットモデル(Bianchiモデル)は,AIFSによる品質
差別化(AIFSが小さいほどリソースをつかみ易い)がう
まくモデル化できない.
■フレーム送信サイクルモデル
DATA FRAME
タイマー再開
AIFS小
AIFS大
ACK
サイクル先頭での
端末の状態をマルコフ
連鎖でモデル化
AIFSの違いに伴うタイマー停止期間
ith cycle
(i+1)th cycle
I. Tinnirello and G. Bianchi, “Rethinking the {IEEE}802.11e {EDCA} Performance
Modeling Methodology,” IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 18, no.2, 2010.
14
Shioda Laboratory, Chiba University
IEEE802.11eへの対応
■フレーム送信サイクルモデルでは,サイクルの開始時点
におけるバックオフタイマ,バックオフステージの値が
次のサイクル開始時点でどのように変化しているかをマ
ルコフ過程でモデル化する.
タイマー再開
AIFS小
AIFS大
AIFSの違いに伴うタイマー停止期間
ith cycle
(i+1)th cycle
スロットモデルよりマルコフ過程の遷移は複雑にな
るが,AIFSの違いがきちんと考慮できる.
15
IEEE802.11eへの対応
上下フローの不公平性を解消するため,上りフローはBEクラス,下り
フローはVOクラスで運んだ場合.
0.07
Downlink
0.06
Throughput [Mbps]
Shioda Laboratory, Chiba University
■数値例(複数のVoIPをWLANに多重)
0.05
Uplink
0.04
0.03
0.02
Simulation
0.01
0
Proposed model
0
5
10
15
20
25
Number of wireless stations
30
16
電波伝搬特性の解析
Shioda Laboratory, Chiba University
■ 無線LAN用電磁波の屋内伝搬特性の解析
レイトレーシング法(レイランチング法,鏡像法)
FDTD(Finite Difference Time Domain)法
• 屋内の特徴:壁や什器が,側壁・天井・床に平行ま
たは垂直に配置されている場合が多い
18
電波伝搬特性の解析
Shioda Laboratory, Chiba University
■ 屋内伝搬特性の解析例
(床から210m, 170m, 130m, 90m, 50mの位置)
19
Shioda Laboratory, Chiba University
レイトレーシング法
■電波を光(Ray:レイ)とみなし,送信点から受信点まで
の伝搬路を追跡することで伝搬特性を推定する方法
■伝搬損失(等方的なアンテナの場合)
直接波のみ
2
=
(4)2
:波長, :発信点からの距離
反射波が一つある場合
=
2
2 2
2 2
+
+
(4)2 (42 )2 (42 )2
電場ベクトル
2

1 ∙ 2 cos(
 − 2 )
干渉項
20
Shioda Laboratory, Chiba University
鏡像法
■発信点から受信点に至る経路(レイ)を幾何学的
に見つける方法
① 反射面の組み合わせとその反射順序を選択
② 鏡像点を計算
③ 選択した反射面の組み合わせ通りに,実際に反射し
て受信点に至るレイ(経路)が存在するかを確認
21
鏡像点とレイの見つけ方
Shioda Laboratory, Chiba University
壁1,壁2の順序で反射して,受信点に到達するレイ
壁1で反射して,受信点に到達するレイ
直接,受信点に到達するレイ
壁1に対する鏡像点
発信点
受信点
壁1→壁2に対する鏡像点
壁1
壁1で反射して
到達するレイ
壁1と2で反射
直接波
して到達する
レイ
壁2
障害物(什器)の数が増えるに従って,反射壁の組み合
わせの数が爆発的に増大する.
22
Shioda Laboratory, Chiba University
高速化のための工夫
■レイを探索する「反射壁の組み合わせ」の候補
を絞りこむ.
① 同じ鏡像点を生成する反射壁の組み合わせを避ける
② 利用される可能性の低い壁を除外する
23
Shioda Laboratory, Chiba University
高速化のための工夫Ⅰ
■同じ鏡像点を生成する反射壁の組み合わせを
避ける
面1→面2の順で反射
するときの鏡像点
面1
面2→面1の順で反射
するときの鏡像点
同じ鏡像点を生成
発信点
面2
受信点
• 反射面が互いに直交する場合,鏡像点はその反射順序に
依存しない
• レイは 面1→ 面2の順序の経路 にしか存在しない
(1つの鏡像点に対してレイは高々1つしか存在しない)
24
高速化のための工夫Ⅱ
Shioda Laboratory, Chiba University
■反射面の履歴をとり,反射面の候補を絞り込む
• ある一定の反射回数までは 全ての面 を考慮
• 反射回数がしきい値を超えたら,反射面とし
て使用された 履歴のある面のみ 反射面の候補
とする
例 反射回数最大6回・履歴を保存する反射回数4回
 反射回数1~4回まで:すべての面を対象としてレイを
探索
 反射回数5回以降:反射回数4回までに反射面となった
面のみを反射面の候補とする
25
Shioda Laboratory, Chiba University
シミュレーション評価例
• 反射と透過を考慮
• 構造物の数:39個
• 送信アンテナの高さ:
天井から50㎝下
• 構造物の絞り込みによ
る高速化は,反射回数
4回までに使われた壁
のみ,その後のシミュ
レーションに利用
発信点
受信点
12m
2.5m
30m
評価対象フロア
26
シミュレーション評価例
Shioda Laboratory, Chiba University
壁での反射+透過が最大6回まで行われる経路(レイ)を考慮する場合
シミュレーション方法
シミュレーション時間
単純な探索方法
65分
鏡像点の重複回避
25秒
鏡像点の重複回避
+反射面の絞り込み
10.1秒
壁での反射+透過が最大5回まで行われる経路(レイ)を考慮する場合
シミュレーション方法
鏡像点の重複回避
鏡像点の重複回避
+反射面の絞り込み
シミュレーション時間
商用シミュレータA
2.26秒
1.04秒
1分59秒
27

similar documents