[論文レビュー] DEARF: Delay and Energy Aware RAW Formation Scheme to Support Delay Sensitive M2M Traffic in IEEE 802.11ah Networks

Navroz Firoz Charania, Mukesh Kumar Giluka+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2017

Wireless Networks and Protocols被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、IEEE 802.11ahネットワーク向けに遅延およびエネルギーに配慮したRAW形成方式であるDEARFを提案する。この方式は、遅延に敏感なM2Mデバイス（DSMDs）に競合不可の時隙を割り当てつつ、遅延に耐えられるデバイスに対しては競合ベースのアクセスを採用する。4つの専用RAW（DRA、CI、DII、NRA）を導入することで、高負荷時におけるDSMDごとのエネルギー消費を最大330%まで削減し、高負荷下でのパケット配信効率を90%まで向上させる。これはベースライン方式の27%と比較して顕著な改善である。

ABSTRACT

The IEEE 802.11ah amendment is designed to support upto 8K M2M devices over the Sub-GHz channel. To achieve this, it introduces new modifications to the PHY and MAC layers. A dynamic Restricted Access Window~(RAW) mechanism is introduced at the MAC layer. RAW splits the access for different devices into small chunks of time. Using the RAW mechanism, we propose a novel Delay and Energy Aware RAW Formation (DEARF) scheme to support delay sensitive devices along with other delay tolerant devices. We exploit this to introduce four new RAWs. These new RAWs help split the access into contention free for delay sensitive devices and contention based for other devices. For scheduling resources between these devices, we give the DEARF resource allocation and evaluate the scheme with help of simulations. Devices suffer a higher delay but, at high loads, devices using the proposed scheme are able to save 30% energy per packet and upto 330% energy per device. Packet delivery ratio is 100% at low loads and 90% at high loads as compared to 95% and 27% given by the traditional access. Other delay tolerant devices save upto 16% on energy per packet transmitted and 23% on delay at high loads.

研究の動機と目的

• IEEE 802.11ahが現在すべてのデバイスを均等に扱うため、遅延に敏感なM2Mトラフィックをサポートしていないという課題に対処する。
• 高密度かつ低消費電力のIoTネットワークにおける遅延に敏感なデバイス（DSMDs）のエネルギー消費を低減し、信頼性を向上させる。
• DSMDsを優先しつつ、遅延に耐えられるデバイス（非DSMDs）のスループットとエネルギー効率を維持する。
• 専用RAWを介して競合不可と競合ベースのアクセスを分離するハイブリッドメディアアクセスメカニズムを提案する。
• 全体のネットワーク性能を劣化させることなく、時間的に重要なM2Mアプリケーションに信頼性の高い低遅延配信を実現する。

提案手法

• DRA（遅延に敏感な予約アクセス）、CI（干渉用の競合ベース）、DII（遅延に敏感な干渉）、NRA（非DSMD予約アクセス）の4つの新しいRAWタイプを導入し、メディアアクセスを分離する。
• DRAおよびDII RAWにおいてDSMDsに競合不可の送信時隙を割り当て、予測可能なアクセスを確保し、再送の削減を図る。
• 非DSMDsに対して各RAW内でCSMA/CAを適用し、デバイスの負荷と優先度に基づく動的リソース割り当てを実施する。
• DTIMインターバル、TWT、階層的TIMといった既存のIEEE 802.11ah機能を活用し、効率的な同期とスケジューリングを実現する。
• 制御パケットの交換メカニズムを実装し、DSMDsがDTIMインターバル中に送信意図を通知することで、以降のインターバルでのスケジュールアクセスを可能にする。
• DSMDsに高い優先度と専用時隙を割り当てることでリソース割り当てを最適化し、無駄なリスニングや競合オーバーヘッドを削減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IEEE 802.11ahは、エネルギー効率やスループットを損なわせることなく、遅延に敏感なM2Mトラフィックをどのようにサポートできるか？
• RQ2 高負荷下における競合ベースアクセスが、遅延に敏感なデバイスのエネルギー消費と遅延に与える影響は何か？
• RQ3 専用の競合不可時隙を備えたハイブリッドアクセス方式は、従来のCSMA/CAと比較して、DSMDsのパケット配信効率とエネルギー節約にどのように寄与するか？
• RQ4 増加するネットワーク負荷下で、提案された方式が非DSMDsのエネルギー消費と遅延に与える影響は何か？
• RQ5 DEARF方式は、高密度なM2Mネットワークにおいて、DSMDsおよび非DSMDsの両方のエネルギー使用量をどの程度削減し、信頼性を向上させられるか？

主な発見

• DEARF方式は、高負荷時における遅延に敏感なM2Mデバイス（DSMDs）のエネルギー消費を、最大330%まで削減する。
• DEARF方式におけるDSMDsは、高負荷下で90%のパケット配信効率を達成するが、ベースライン方式では27%にとどまる。
• 本方式は、非DSMDsのエネルギー効率を1パケットあたり最大16%向上させ、高負荷下での平均遅延を23%削減する。
• 低負荷時、DEARFはDSMDsのパケット配信効率を100%に達成するが、ベースライン方式では95%である。
• DEARFにおけるDSMDsは、DTIMインターバルの複数倍の平均遅延を示すが、これは顕著なエネルギー節約と信頼性の向上によって相殺される。
• 低負荷時、非DSMDsのエネルギーおよび遅延性能はベースラインとほぼ同等を維持するが、高負荷時における競合の低減により、性能向上が顕著に現れる。