[論文レビュー] Analytical Modeling of Saturation Throughput in Power Save Mode of an IEEE 802.11 Infrastructure WLAN

Pranav Agrawal, Anurag Kumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2010

Wireless Networks and Protocols参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、アクセスポイント（AP）とパワーセーブモード（PSM）のステーション（STA）がそれぞれ飽和状態にあるIEEE 802.11インfra構造WLANにおける飽和スループットの解析的モデルを提示する。APとSTA間の非対称な競合動作を考慮し、APとSTAの長期的送信確率を導出する。APは高い送信レートを達成するため、より高い飽和スループットを示すことが判明し、NS-2シミュレーションによる検証で解析結果と良好に一致した。

ABSTRACT

We consider a single station (STA) in the Power Save Mode (PSM) of an IEEE 802.11 infrastructure WLAN. This STA is assumed to be carrying uplink and downlink traffic via the access point (AP). We assume that the transmission queues of the AP and the STA are saturated, i.e., the AP and the STA always have at least one packet to send. For this scenario, it is observed that uplink and downlink throughputs achieved are different. The reason behind the difference is the long term attempt rates of the STA and the AP due to the PSM protocol. In this paper we first obtain the the long term attempt rates of the STA and the AP and using these, we obtain the saturation throughputs of the AP and the STA. We provide a validation of analytical results using the NS-2 simulator.

研究の動機と目的

• APとSTAがともに飽和状態にある単一ステーションのパワーセーブモード（PSM）IEEE 802.11インfra構造WLANにおける飽和スループットをモデル化すること。
• PSM下でのAPとSTAの長期的送信確率を分析すること。これは、STAのスリープ状態とアクティブ状態の遷移に起因する。
• 上行リンク（STAからAP）と下行リンク（APからSTA）のスループットにおける非対称性を定量すること。APはSTAよりも高いスループットを達成する。
• NS-2シミュレーションを用いて解析モデルを検証し、送信確率とスループットの予測精度を示すこと。
• 従来の研究とは異なり、PS-POLLフレームへの応答時のAPのキューイング遅延を考慮した、より現実的なPSMプロトコル実装を提示すること。

提案手法

• 著者らは、STAのアクティブ状態とスリープ状態間の状態遷移を捉えるために、マルコフ連鎖を用いてPSMプロトコルをモデル化した。
• 成功送信後の残りバックオフを分析することにより、STAがPS-POLLフレームを送信する長期的送信確率を導出した。
• APの送信確率は、バックオフウィンドウとSTAのバックオフ動作を考慮した、競合ウィンドウのダイナミクスに基づいて関数としてモデル化された。
• 導出された送信確率と送信時間の成分を用いて、上行リンク（STAからAP）および下行リンク（APからSTA）の飽和スループットを計算した。
• SIFS、DIFS、EIFS、および各種フレームタイプ（PS-POLL、ACK、データ）の送信時間など、IEEE 802.11の主要パrameterをモデルに組み込んだ。
• 解析結果は、802.11b標準パラメータを用いたNS-2シミュレーションと照合され、データレート、パケットサイズ、バックオフウィンドウ設定が標準と一致していた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 APとSTAがPSMで飽和状態にある場合、長期的送信確率はそれぞれどのように変化するか？
• RQ2 対称的なトラフィック負荷があるにもかかわらず、APはSTAよりも高い飽和スループットを達成する理由は何か？
• RQ3 PSMプロトコルの挙動、特にSTAのスリープ状態とAPのキューイング遅延が、競合ダイナミクスとスループットにどのように影響するか？
• RQ4 提案された解析モデルは、実世界のシナリオにおいて実際のスループットと送信確率をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 非現実的なPSM実装を仮定する従来の研究と比較して、本モデルはどのように異なるか？

主な発見

• STAの周期的なスリープインターバルとそれに伴うバックオフ動作により、APはSTAよりも高い長期的送信確率を有するため、APはSTAよりも高い飽和スループットを達成する。
• STAがPS-POLLフレームを送信する長期的送信確率は、APがデータ送信を行う場合のそれよりも高い。これは、STAがチャネルアクセスを獲得するために定期的に起床し、競合に参加する必要があるためである。
• 送信確率の解析的結果は、さまざまな最小競合ウィンドウ（CWmin）値において、NS-2シミュレーション結果と良好に一致した。
• 本モデルは、衝突状態、アイドル状態、成功送信状態に要する時間を正しく考慮しており、従来の近似手法よりも精度が向上している。
• 本稿では、従来のPSM研究がAPが競合しない非現実的なプロトコルを仮定していることが判明した。本研究では、より現実的なモデルを用いた。
• APの飽和スループットはSTAのそれよりも常に高く、これはSTAの長いバックオフサイクルに起因して、競合ウィンドウサイズが大きくなるほど差が拡大する。