[論文レビュー] Simulating LTE and Wi-Fi Coexistence in Unlicensed Spectrum with ns-3

Lorenza Giupponi, Thomas R. Henderson+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 5被引用数 40

ひとこと要約

本論文は、3GPPリリース13 LTEリスン・ビフォア・トーキング（LBT）メカニズムに焦点を当て、免許なしスペクトルにおけるLTEとWi-Fiの共存をモデル化するためのオープンソース拡張をns-3ネットワークシミュレータに提供する。MACおよびトランスポート層を含むフルシステムシミュレーションを可能にし、LBTが公平な共存を達成できることを示すが、実装上の未解決課題やトラフィックモデルおよびプロトコルスタックに依存する性能の問題が明らかになった。

ABSTRACT

The use of unlicensed spectrum for future LTE systems raises concerns about its impact on co-located Wi-Fi networks. We report herein on extensions to a popular network simulator, known as ns-3, to model such coexistence. To our knowledge, this simulator is novel in two important ways. First, it is presently the only freely available simulator for coexistence studies, and as open source software, it offers new opportunities for reproducible research and collaborative model development. Second, we are not aware of other simulators with similar wireless models that allow full system studies to be conducted, such as performance evaluation of upper-layer protocols in a coexistence environment. We illustrate the value of a system simulator by describing a simulation campaign for the indoor scenario designed by 3GPP RAN1 using new ns-3 models for Release 13 LTE Listen Before Talk (LBT) techniques, intended for fair coexistence with Wi-Fi. LBT models have been widely simulated at the link and physical layer by many companies in 3GPP RAN1. We first show that we are able to tune the scenario to reproduce similar performance metrics to those reported in the literature. We then extend the simulations by adding TCP to the file transfers and explore the different behaviour observed. Our initial study reveals that there remain many open questions about how LBT should be implemented to achieve good coexistence properties, and that a broader scope of implementation issues, traffic models, and fuller system models should be studied further before drawing final conclusions on the LBT coexistence performance.

研究の動機と目的

• 自由に利用可能なシミュレータを用いて、免許なしスペクトルにおけるLTEとWi-Fiの共存に関する再現可能で共同可能な研究を可能にする。
• 3GPPリリース13 LTEリスン・ビフォア・トーキング（LBT）の正確なモデルをns-3に拡張し、公平なスペクトル共有を実現する。
• 物理層およびリンク層にとどまらず、MACおよびトランスポート層プロトコルを含むフルシステムシミュレーションをサポートする。
• 混合トラフィックを伴う現実的な屋内シナリオにおいて、LBTベースの共存の性能を評価する。
• 共存の公平性および効率に影響を及ぼすLBT実装上の未解決課題を特定する。

提案手法

• 3GPPリリース13で定義されたLTE LBTメカニズム用の新しいモデルをns-3シミュレータに拡張した。
• 免許なしスペクトルにおけるLTEの物理層およびMAC層モデルを実装し、センシングおよびバックオフ手順を含んだ。
• 共存シナリオにおけるエンドツーエンド性能を評価するため、標準TCPをファイル転送フローに統合した。
• 文献で報告された性能指標と一致するよう、3GPP RAN1で定義された屋内シナリオを設定した。
• さまざまなトラフィック負荷およびプロトコルスタック構成におけるLBT性能を比較するシミュレーションキャンペーンを実施した。
• 文献に掲載されたパブリッシュされた性能結果を再現することで、シミュレーション設定の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡張されたns-3シミュレータは、免許なしスペクトルにおけるLTEとWi-Fiの共存に関する文献に報告された性能指標を正確に再現できるか？
• RQ2 TCPの組み込みが、LBTベースの展開におけるLTEとWi-Fiの共存行動にどのように影響するか？
• RQ3 LBT実装選択の違いが、公平性およびスペクトル効率に与える性能への影響は何か？
• RQ4 さまざまなトラフィックモデルおよびプロトコルスタック構成が、共存の結果にどのように影響するか？
• RQ5 LBTベースのLTE共存において、Wi-Fiと併用するにあたり、未解決のシステムレベルの課題は何か？

主な発見

• 拡張されたns-3シミュレータは、3GPP屋内シナリオの文献に報告された性能指標を正確に再現でき、その正確性が裏付けられた。
• ファイル転送シミュレーションにTCPを組み込むことで、リンク層のみのシミュレーションとは顕著な行動の違いが明らかとなり、フルシステムモデリングの重要性が浮き彫りになった。
• LBTベースのLTEとWi-Fiの共存は公平性の観点で有望であるが、センシングしきい値やバックオフパラメータなどの実装詳細に依存して性能が変動することが判明した。
• 本研究では、公平性、遅延、スペクトル効率のトレードオフを含む、LBT実装における未解決の課題を特定した。
• LBT性能に関する最終的な結論を下す前に、トラフィックモデル、プロトコル相互作用、システムレベルの挙動に関する広範な調査が依然として必要である。
• 拡張されたns-3モデルのオープンソース性により、再現可能な研究および共存ソリューションの共同開発が可能になった。