[論文レビュー] Saturation Throughput Analysis of IEEE 802.11b Wireless Local Area Networks under High Interference Considering Capture Effects

Ponnusamy Kumar, A. Krishnan|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2010

Wireless Networks and Protocols参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、高干渉および誤りのあるチャネル下でのIEEE 802.11b DCFにおける新しい飽和スルーレート解析を提案する。Bianchiのマルコフ連鎖モデルを拡張し、キャプチャ効果と現実の fading を組み込む。主な貢献は、衝突損失とノイズ由来損失を区別することで、不要なバックオフ増加を低減し、低〜中程度のトラフィック下で標準DCFを上回るスルーレートを実現するメカニズムを提供することである。

ABSTRACT

Distributed contention based Medium Access Control (MAC) protocols are the fundamental components for IEEE 802.11 based Wireless Local Area Networks (WLANs). Contention windows (CW) change dynamically to adapt to the current contention level, Upon each packet collision, a station doubles its CW to reduce further collision of packets. IEEE 802.11 Distributed Coordination Function (DCF) suffers from a common problem in erroneous channel. They cannot distinguish noise lost packets from collision lost packets. In both situations a station does not receive its ACK and doubles the CW to reduce further packet collisions. This increases backoff overhead unnecessarily in addition to the noise lost packets, reduces the throughput significantly. Furthermore, the aggregate throughput of a practical WLAN strongly depends on the channel conditions. In real radio environment, the received signal power at the access point from a station is subjected to deterministic path loss, shadowing and fast multipath fading. In this paper, we propose a new saturation throughput analysis for IEEE 802.11 DCF considering erroneous channel and capture effects. To alleviate the low performance of IEEE 802.11 DCF, we introduce a mechanism that greatly outperforms under noisy environment with low network traffic and compare their performances to the existing standards. We extend the multidimensional Markov chain model initially proposed by Bianchi(3) to characterize the behavior of DCF in order to account both real channel conditions and capture effects, especially in a high interference radio environment.

研究の動機と目的

• 衝突とノイズ由来のパケット損失が区別できない高干渉・ノイジーな無線環境下でIEEE 802.11 DCFの性能劣化を是正すること。
• ノイズ損失を衝突と誤解釈することで生じる不要なバックオフ増加を低減し、スルーレートを低下させることを防ぐこと。
• 経路損失、シャドウイング、フェイストフェージングを含む現実のチャネル状態を反映する、より正確な飽和スルーレートモデルを構築すること。
• キャプチャ効果と動的チャネル状態認識を活用することで、ノイジーな状態でもDCFの性能を向上させるメカニズムを提案すること。

提案手法

• キャプチャ確率とチャネルフェージング効果を組み込むために、Bianchiの多次元マルコフ連鎖モデルを拡張する。
• アクセスポイントにおける実際の信号電力変動を反映するため、レイノールドフェージングと経路損失を物理層にモデル化する。
• 複数のパケットが同時に送信された場合でも、パケットが正常に復調可能である確率を定義することで、キャプチャ効果を組み込む。
• 衝突とノイズ由来損失を区別する意思決定メカニズムを導入し、不要なCW倍増を回避する。
• 干渉下でのバックオフ段階、CWサイズ、送信成功/失敗状態を追跡する状態遷移モデルを用いる。
• 高干渉およびフェージング下での拡張マルコフ連鎖の定常確率に基づき、飽和スルーレートを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャプチャ効果は、高干渉環境下におけるIEEE 802.11b DCFの飽和スルーレートにどのように影響を与えるか？
• RQ2 フェージングと経路損失は、パケット損失原因の誤分類によって、標準DCFの性能をどの程度劣化させるか？
• RQ3 キャプチャ効果とチャネル状態を考慮した修正DCFメカニズムは、低〜中程度のトラフィック環境下で標準DCFを上回る性能を発揮できるか？
• RQ4 拡張マルコフ連鎖モデルは、現実のチャネル劣化要因下でのDCF動作をどれほど正確に反映できるか？
• RQ5 ノイズ由来損失と衝突損失を区別することで、バックオフオーバーヘッドと全体のスルーレートにどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案モデルは、特に高干渉下で、キャプチャ効果とフェージングの影響を正確に捉えている。
• ノイズ由来損失と衝突を区別することで、不要なCW倍増が低減され、バックオフオーバーヘッドが低下する。
• ノイジー環境下では、特に低〜中程度のネットワーク負荷下で、スルーレートの向上が顕著に見られる。
• 拡張マルコフ連鎖モデルは、従来のモデルよりも現実的でより正確な飽和スルーレート推定値を提供する。
• チャネル状態が悪い状況下でも、提案メカニズムは標準IEEE 802.11 DCFよりも有効スルーレートで優れた性能を発揮する。
• シミュレーション結果は、モデルの予測が観測された性能と密接に一致しており、現実のチャネル状態下での正確性を検証している。