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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 [email protected]
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
Wireless
Infrastructure (FWA)
Wired
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
C
A
B
見え過ぎる端末問題
D
C
A
B
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
見え過ぎる端末問題
隠れ端末問題
A
C
B
D
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
DATA
RTS
CTS
ACK
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
A
B
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
C
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
チャネル選択
RTS/CTS受信
送信元アドレス
送信先アドレス
隣接局アドレス
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
 隣接関係補間情報
全チャネル同時監視
トラフィック
グラフ処理
NO
監視終了?
YES
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)
相互干渉しない位置関係
Traffic 1
Traffic 2
Traffic 1
期待値
ｔ
Traffic 2
Traffic 1+2
チャネル利用率の
見積もり誤り
「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
6
5
7
3
9
12
1
2
10
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
|SPOT|
c  1  (1  i )
i 1
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
Multi
Channel
SlottedTDMA
△
×
△
Nasi
puri
Ozu
gur
Multi
CSMA
Channel
Single
CSMA+
Channel RTS/CTS
△
○
×
○
×
○
LSCS
Multi
CSMA+
Channel 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
5, 10, 20, 50,
100 pkts/sec
チャネル帯域幅 2.0 Mbps
パケット送信
レート
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
350
Throughput (kbps)
300
106％
250
1
2
3
4
200
105％
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
Flow Rate (kbps)
300
350
400
450
評価 1: 平均衝突パケット数
Number of Collisions (Packets)
350000
300000
250000
1
2
3
4
200000
150000
100000
50000
チャネル数増加により減少
0
0
50
100
150
200
250
Flow Rate (kbps)
300
350
400
450
評価 1: オーバフロー数
Number of Overflown Packets
(Packets)
180000
160000
140000
120000
1
2
3
4
100000
80000
60000
40000
20000
チャネル数増加により減少
0
0
50
100
150
200
250
Flow Rate (kbps)
300
350
400
450
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
400.0
Throughput (kbps)
350.0
STATIC-2
RANDOM-2
LSCS-2
STATIC-3
RANDOM-3
LSCS-3
STATIC-4
RANDOM-4
LSCS-4
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
0
50
100
150
200
250
300
Flow Rate (kbps)
350
400
450
評価 2: 平均衝突パケット数
Number of Collisions (Packets)
350000.0
300000.0
STATIC-2
RANDOM-2
LSCS-2
STATIC-3
RANDOM-3
LSCS-3
STATIC-4
RANDOM-4
LSCS-4
250000.0
200000.0
150000.0
100000.0
50000.0
0.0
0
50
100
150
200
250
300
Flow Rate (kbps)
350
400
450
評価 2: オーバフロー数
Number of Overflown Packets
(Packets)
140000
120000
STATIC-2
RANDOM-2
LSCS-2
STATIC-3
RANDOM-3
LSCS-3
STATIC-4
RANDOM-4
LSCS-4
100000
80000
60000
40000
20000
0
0
50
100
150
200
250
300
Flow Rate (kbps)
350
400
450
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 “LoadSensitive 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
|SPOT|
  1  (1 
i1
i
T
)
CALCCHANNELUTILIZATION ()
utilization ← 1
for each TrafficSpot K ∈ SPOT
weight[K] ← CALCTRAFFIC (K) / PERIOD
utilization ← utilization × (1 – weight[K])
return utilization