[논문 리뷰] Delay Analysis of Hybrid WiFi-LiFi System

Sihua Shao, Abdallah Khreishah외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 02.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 흩어진(요청이 두 네트워크 중 하나로 라우팅됨) 및 집합된(요청이 두 네트워크에 나누어짐) 구성 간에 비교하여 하이브리드 WiFi-LiFi 시스템에서 지연 성능을 분석한다. 포아송 도착과 지수 분포를 따르는 요청 크기 조건 하에서, 대역폭 집합이 최소 평균 시스템 지연을 감소시킴을 분석적으로 증명하고, 최적의 분할 비율에 대해 최소 3% 이내의 지연 손실을 유발하는 효율적인 근사치를 제안한다.

ABSTRACT

Heterogeneous wireless networks are capable of effectively leveraging different access technologies to provide a wide variety of coverage areas. In this paper, the coexistence of WiFi and visible light communication (VLC) is investigated as a paradigm. The delay of two configurations of such heterogeneous system has been evaluated. In the first configuration, the non-aggregated system, any request is either allocated to WiFi or VLC. While in the second configuration, the aggregated system, each request is split into two pieces, one is forwarded to WiFi and the other is forwarded to VLC. Under the assumptions of Poisson arrival process of requests and the exponential distribution of requests size, it is mathematically proved that the aggregated system provides lower minimum average system delay than that of the non-aggregated system. For the non-aggregated system, the optimal traffic allocation ratio is derived. For the aggregated system, an efficient solution for the splitting ratio is proposed. Empirical results show that the solution proposed here incurs a delay penalty (less than 3\%) over the optimal result.

연구 동기 및 목표

• 다양한 구성 조건 하에서 하이브리드 WiFi-LiFi 네트워크의 시스템 지연을 평가하기 위해.
• 비집합형 및 집합형 시스템 아키텍처 간의 평균 시스템 지연을 비교하기 위해.
• 비집합형 시스템의 최적 트래픽 할당 비율을 유도하기 위해.
• 집합형 시스템에서 최적의 요청 분할 비율에 대한 효율적인 근사치를 제안하기 위해.
• 대역폭 집합의 지연 이점이 실험적으로 검증되기 위해.

제안 방법

• 포아송 요청 도착과 지수 분포를 따르는 요청 크기 조건 하에서, WiFi 및 VLC 링크에 대해 M/D/1 큐를 사용하여 시스템을 모델링한다.
• 비집합형 시스템의 평균 시스템 지연을 트래픽 할당 비율 α의 함수로 유도한다.
• 집합형 시스템의 평균 시스템 지연을 E[max(D_WiFi, D_VLC)]로 표현하고, 순서 통계를 사용하여 E[min(D_WiFi, D_VLC)]를 기술한다.
• 실제 제약 조건 하에서 지연을 최소화하는 집합형 시스템의 최적 분할 비율 α를 추정하기 위한 근사 방법을 제안한다.
• 모의 실험과 분석 모델링을 활용하여, 다양한 파라미터(λ, μ, B₁, B₂, N)에 대해 근사된 집합형 시스템과 비집합형 시스템을 비교한다.
• 성능 지표로 집합형 시스템에서 근사된 최소 지연과 비집합형 시스템에서의 최소 지연 간 비율을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 WiFi-LiFi 시스템에서 대역폭 집합이 비집합형 라우팅에 비해 최소 평균 시스템 지연을 감소시키는가?
• RQ2 비집합형 시스템에서 평균 시스템 지연을 최소화하는 데 최적의 트래픽 할당 비율은 무엇인가?
• RQ3 집합형 시스템에서 최적의 요청 분할 비율에 대한 효율적인 근사치를 개발할 수 있으며, 이로 인한 지연 손실이 최소화되는가?
• RQ4 트래픽 부하(λ), 요청 처리 속도(μ), 대역폭(B₁, B₂)와 같은 시스템 파라미터가 집합형 및 비집합형 시스템의 지연 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 VLC 액세스 포인트 수(N)가 집합에 의한 지연 감소 효과에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 순서 통계를 사용한 분석적 증명을 통해, 집합형 시스템이 비집합형 시스템보다 더 낮은 최소 평균 시스템 지연을 달성함을 입증하였다.
• 집합형 시스템에서 최적의 분할 비율에 대한 제안된 근사치는 이론적 최적값에 비해 3% 이내의 지연 손실을 유발한다.
• VLC 액세스 포인트 수(N)를 1에서 10으로 변화시킬 경우, 근사치로 인한 최대 추가 지연은 2.7%이다.
• WiFi 대역폭이 작고 VLC 대역폭이 클 경우 집합에 의한 지연 감소 효과가 가장 뚜렷하며, N이 증가하거나 λ 및 μ가 증가함에 따라 이 효과는 점차 감소한다.
• 시험 파라미터 범위 내에서, 집합형 시스템의 근사 최소 평균 시스템 지연은 비집합형 시스템보다 최소 16% 낮다.
• 지연 손실이 최소가 되는 조건은 λ ≈ 0.33, μ ≈ 58, B₁ ≈ 70일 때이며, 이는 근사치의 최적 운영 지점임을 시사한다.