[論文レビュー] Modeling, Simulation and Fairness Analysis of Wi-Fi and Unlicensed LTE Coexistence

Morteza Mehrnoush, Rohan Patidar+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2018

Wireless Networks and Protocols参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、5 GHz帯における固定ドーティサイクルを用いたLTE-DC（未許可帯域）とWi-Fiの共存を検討するため、新しい解析モデルおよびns-3ベースのシミュレーションフレームワークを提案する。50%のドーティサイクル条件下で、Wi-Fiノード数が増加するにつれて、同じWi-Fiネットワークとの共存よりもLTE-DCとの共存時におけるWi-Fiのスループットが高くなることを示している。

ABSTRACT

Coexistence of small-cell LTE and Wi-Fi networks in unlicensed bands at $5$ GHz is a topic of active interest, primarily driven by industry groups affiliated with the two (cellular and Wi-Fi) segments. A notable alternative to the 3GPP Rel. 13 defined LTE-Licensed Assisted Access (LTE-LAA) mechanism for coexistence is the unlicensed LTE (LTE-U) Forum \cite{lteuforum} that prescribed Carrier Sense Adaptive Transmission (CSAT) whereby LTE utilizes the unlicensed band as a supplemental downlink unlicensed carrier (to enhance downlink data rate) to normal operation using licensed spectrum. In this work, we provide a new analytical model for performance analysis of unlicensed LTE with fixed duty cycling (LTE-DC) in coexistence with Wi-Fi. Further, the analytical results are cross-validated with ns-3 (www.nsnam.org) based simulation results using a newly developed coexistence stack. Thereafter, notions of {\em fair coexistence} are investigated that can be achieved by tuning the LTE duty cycle. The results show that as the number of Wi-Fi nodes increases, the Wi-Fi network in coexistence with LTE-DC with 0.5 duty cycling achieves a higher throughput than with an identical Wi-Fi network.

研究の動機と目的

• 未許可5 GHz帯におけるWi-FiとLTE-DCの共存下でのスループット性能を、透明的かつ解析的に検証されたモデルを構築すること。
• アクセスの公平性とスループットの公平性を指標として、Wi-FiとLTE-DCの共存における公平性を調査すること。
• フルバッファ状態下における、LTE-DCのドーティサイクルがWi-Fi性能に与える影響を、Wi-Fiノード数の変動を伴いながら評価すること。
• 新たに実装された共存スタックを用いたns-3シミュレーションにより、解析モデルの妥当性を検証すること。
• 既存のLTE-Uフォーラムのドーティサイクルに関する推奨事項が、現実的な条件下でWi-Fiとの公平な共存を確保するのに十分かどうかを評価すること。

提案手法

• フルバッファ状態下における、LTE-DCと共存するWi-Fiのスループットを解析的にモデル化。送信チャネル予約とバックオフ動作を用いる。
• 公平性指標を定式化：アクセス公平性（等しいアクセス確率）とスループット公平性（Wi-Fiが単独運用時の半分のスループットを達成）。
• ns-3に、固定ドーティサイクルおよびチャネルセンシングを含むLTE-DCとWi-Fiの相互作用をシミュレートする共存スタックを実装。
• 複数のシナリオにおいて、解析モデルの予測値とns-3シミュレーション結果を比較することで、解析モデルの妥当性を検証。
• 最適なLTE-DCドーティサイクルα（アクセス公平性およびスループット公平性を達成するもの）を特定するため、最適化問題を数値的に解く（MATLABを用いて）。
• 3つのシナリオ（T_C = 10ms, 30ms）および異なるWi-Fiレート（6 Mbps, 54 Mbps）を想定し、固定1500バイトパケットサイズ下で公平性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定ドーティサイクル下で、LTE-DCと共存するWi-Fiネットワークのスループットは、単独運用時のWi-Fiネットワークと比べてどうなるか？
• RQ2 アクセス公平性（共存時と単独運用時のWi-Fiが等しいアクセス確率を持つこと）を達成するためのLTE-DCドーティサイクルαは何か？
• RQ3 スループット公平性（Wi-Fiが単独運用時の半分のスループットを達成）を達成するためのLTE-DCドーティサイクルαは何か？
• RQ4 Wi-Fiノード数の増加が、公平性を達成するための必要となるLTE-DCドーティサイクルαに与える影響は何か？
• RQ5 現実的状況下で、Wi-Fiとの公平な共存を保証するため、LTE-Uフォーラムの推奨事項（ドーティサイクル < 0.5）は十分か？

主な発見

• LTE-DCと共存する状況下におけるWi-Fiスループットの解析モデルは、ns-3シミュレーション結果と強く一致しており、その正確性が裏付けられた。
• アクセス公平性を達成するためには、最適なLTE-DCドーティサイクルαは非常に高い（1に近い）必要があり、これはWi-Fiが空き時間とスループットを最小限に抑えられることを意味し、リソース使用の観点からLTE-DCは極めて不公平であることを示している。
• スループット公平性を達成するためには、Wi-Fiノード数が増加するにつれて、必要なLTE-DCドーティサイクルαが増加する。これは、LTE-DCがWi-Fiに与える影響を抑えつつ、より多くの空き時間を使用可能にできることを意味する。
• α = 0.5の場合、Wi-Fiノード数が増加するにつれて、同じWi-Fiネットワークとの共存よりもLTE-DCと共存する場合に高いスループットが達成される。
• Wi-Fiノードが5つ以上存在する場合、LTE-Uフォーラムの推奨事項（α < 0.5）は公平性を確保するのに不十分であり、この状況下で公平性を達成するためにはαが0.5を超える必要がある。
• アクセス公平性に比べ、スループット公平性の方がより有利である。これは、LTE-DCがWi-Fiの性能を他のWi-Fiネットワークと比較して劣化させることなく、より多くのスペクトルを活用可能にできるためである。