[論文レビュー] On the Throughput Allocation for Proportional Fairness in Multirate IEEE 802.11 DCF under General Load Conditions

F. Daneshgaran, Massimiliano Laddomada+2 more|ArXiv.org|Mar 13, 2008

Wireless Networks and Protocols参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、一般（非飽和）負荷状態下で変動するパケット到着レート（$\lambda_s$）および伝送レート（$R_d^s$）を考慮した、マルチレートIEEE 802.11 DCFの修正比例公平性（PF）基準を提案する。正規化されたトラフィック需要に基づく競合ウィンドウサイズの最適化により、古典的PFと同等の公平性を維持しながら、集約スループットを顕著に向上させ、シミュレーションにおいて標準DCFおよび従来のPFを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

This paper presents a modified proportional fairness (PF) criterion suitable for mitigating the extit{rate anomaly} problem of multirate IEEE 802.11 Wireless LANs employing the mandatory Distributed Coordination Function (DCF) option. Compared to the widely adopted assumption of saturated network, the proposed criterion can be applied to general networks whereby the contending stations are characterized by specific packet arrival rates, $λ_s$, and transmission rates $R_d^{s}$. The throughput allocation resulting from the proposed algorithm is able to greatly increase the aggregate throughput of the DCF while ensuring fairness levels among the stations of the same order of the ones available with the classical PF criterion. Put simply, each station is allocated a throughput that depends on a suitable normalization of its packet rate, which, to some extent, measures the frequency by which the station tries to gain access to the channel. Simulation results are presented for some sample scenarios, confirming the effectiveness of the proposed criterion.

研究の動機と目的

• 非飽和トラフィック状態下におけるマルチレートIEEE 802.11 DCFのレート異常問題に対処すること。これは、古典的公平性基準が不均等なステーション負荷のため機能しないためである。
• 飽和ネットワーク仮定を越えて、実際のステーションパケット到着レート（$\\lambda_s$）および伝送レート（$R_d^s$）を組み込んだスループット割り当てメカニズムを開発すること。
• 古典的比例公平性と同等の公平性レベルを維持しながら、集約ネットワークスループットを向上させること。
• トラフィック需要に応じた各ステーションごとの競合ウィンドウサイズ（$W_0^{(s)}$）を最適化し、公平性を損なわず効率的なチャネルアクセスを実現すること。

提案手法

• チャネル占有時間に基づく複数のトラフィッククラスを扱えるように、二次元マルコフモデルを拡張し、類似した伝送時間を持つステーションを$N_c$クラスにグループ化する。
• 個々のパケットレート（$\lambda_s$）および伝送レート（$R_d^s$）に基づき、ステーション固有のアクセス確率（$\tau_s$）を定義し、動的スループット割り当てを可能にする。
• 各ステーションの実際の伝送周波度に応じた公平性を保証するように、スループット割り当てを正規化する修正比例公平性基準を導入する。
• 線形計画法フレームワーク（LPF）および実際のトラフィック制約を組み込んだ修正版（MLPF）を用いて、各ステーションの競合ウィンドウサイズ（$W_0^{(s)}$）を最適化する。
• スループット解析を簡略化するため、持続時間クラスに基づく抽象化を採用し、$N_c \leq N$のチャネル占有時間のクラスを仮定する。
• 複数のネットワークシナリオにわたるシミュレーションを用いて、スループットおよび公平性の向上を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非飽和トラフィック状態下で、異なったパケット到着レートを有する場合、マルチレートIEEE 802.11 DCFにおける性能の異常はどのように現れるか？
• RQ2 修正比例公平性基準により、一般負荷状態下で公平性を損なわず集約スループットを向上させられるか？
• RQ3 古典的PFと比較して、公平性指標に実際のステーションパケットレート（$\lambda_s$）を組み込むことで、ネットワーク性能はどの程度向上するか？
• RQ4 集約スループットおよびJainの公平性指数の観点から、本手法は標準DCFおよび古典的PFと比較してどのように異なるか？

主な発見

• 提案されたMLPF（修正LPF）基準は、最高の集約スループットを達成し、シナリオAでは4.69 Mbps、シナリオBでは4.72 Mbpsに達する。これは標準DCF（1.89–1.93 Mbps）を顕著に上回る。
• シナリオAではJainの公平性指数が0.9317に向上し、シナリオBでは0.9290に達する。これは古典的PFと同等の公平性レベルに近づきつつ、より高いスループットを実現している。
• レート異常問題は顕著に軽減された。シナリオBでは、2番目に速いステーションと最も速いステーションのパケットレートが最も遅いステーションよりも高いが、MLPFはDCFと比較して高速ステーションのスループットをより高く維持している。
• 最も遅いステーションのパケットレートが10から3300 pkt/sに増加しても、DCFのスループットは高速ステーションで急激に低下するが、MLPFは全レートで顕著に高い集約スループットを維持している。
• LPFおよびMLPFフレームワークは、標準DCFおよび古典的PFよりも集約スループットを向上させ、MLPFは公平性と効率性のバランスが最も優れている。
• シミュレーション結果は、最適化フレームワークに実際のステーショントラフィック需要を組み込むことで、特に高レートステーションが重い負荷にさらされている場合に、より良いスループット割り当てが達成されることを確認している。