[논문 리뷰] hMAC: Enabling Hybrid TDMA/CSMA on IEEE 802.11 Hardware

Sven Zehl, Anatolij Zubow외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 16.

Wireless Networks and Protocols참고 문헌 13인용 수 10

한 줄 요약

hMAC는 상업용 IEEE 802.11 하드웨어에서 ATH9K 소프트MAC 드라이버를 사용하여 소프트웨어 기반으로만 구성된 하이브리드 TDMA/CSMA MAC 아키텍처로, 각 링크에 대한 시간 슬롯 할당을 가능하게 한다. 전력 절약 기능을 활용해 Netlink를 통해 소프트웨어 큐를 일시정지/재개함으로써 정밀한 간섭 관리를 실현하며, 전통적인 TDMA에 비해 총 대역폭을 두 배로 늘리는 결과(8.8 대 4.2 Mbit/s)를 이끌어내며 은닉 노드 환경에서 성능을 향상시키지만, 기존 802.11 장치와의 호환성은 유지한다.

ABSTRACT

We present our current work-in-progress on the design and implementation of a hybrid TDMA/CSMA medium access architecture, hereafter referred to as hMAC, which can be used on top of commercial IEEE 802.11 off-the-shelf hardware. The software only solution is based on the popular Linux ATH9K softMAC driver and hence can be used with standard Linux systems using Atheros based wireless network devices. The proposed hMAC exploits the standard 802.11 power saving functionality present in the ATH9K device driver to enable control of the software packet queues. This allows the assignment of TDMA time slots on wireless link and traffic class basis. While the solution is placed only in the device driver, the CSMA/CA functionality on hardware level is still active. This enables inter-working with standard unmodified 802.11 devices. We tested our prototypical hMAC implementation in a small test-bed. Therefore, we implemented a centralized interference management scheme in which pairs of links suffering from a hidden node problem are assigned to TDMA time slots on a per-link basis. To show the benefits of the proposed hMAC approach we compared the results with standard 802.11 DCF and classical, i.e. per-node, TDMA. Finally, to enable collaboration with the research community, the hMAC source code is provided as open-source.

연구 동기 및 목표

• 은닉 노드로 인한 Wi-Fi 네트워크 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 링크 기반이 아닌 노드 기반 TDMA가 공간 재사용을 제한하고 비공정한 영향을 미치는 비효율성 문제를 해결하기 위해.
• 하드웨어나 펌웨어 수정 없이도 상용 802.11 하드웨어에서 정밀한, 링크 기반의 TDMA 스케줄링을 가능하게 하기 위해.
• 표준 802.11 장치와의 후행 호환성을 유지하면서 스펙트럼 효율성과 공정성을 향상시키기 위해.
• 주거 및 기업용 Wi-Fi 네트워크에서 간섭 관리 및 동적 스펙트럼 슬라이싱를 위한 오픈소스이자 확장 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• hMAC는 Netlink 메시지를 통해 ATH9K 소프트MAC 드라이버의 소프트웨어 패킷 큐를 제어하는 사용자 공간 스케줄러로 작동한다.
• 기존의 802.11 전력 절약 功能을 활용하여 링크 기반 및 트래픽 클래스 기반으로 큐를 일시정지 또는 재개한다.
• TDMA 시간 슬롯은 AP1-STA2와 같이 특정 무선 링크 기반으로 할당되며, AP 기반이 아니라 링크 기반으로 할당되어 충돌하지 않는 링크에서 동시 전송이 가능하다.
• CSMA/CA는 하드웨어 수준에서 계속 활성화되어 있어, 수정되지 않은 802.11 장치와의 호환성을 보장한다.
• 중앙집중식 간섭 관리 체계가 충돌하는 링크 쌍(예: 은닉 노드)을 식별하고 독점적인 시간 슬롯에 할당한다.
• 사용자-커널 간 메시지 지연으로 인한 타이밍 제로를 줄이기 위해 가드 슬롯과 10ms 이상의 더 큰 시간 간격을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용 802.11 하드웨어에서 링크 기반 TDMA 스케줄링이 은닉 노드로 인한 동일 대역 간섭을 상당히 줄일 수 있는가?
• RQ2 기존의 노드 기반 TDMA에 비해 링크 기반 TDMA가 공간 재사용과 전체 네트워크 대역폭을 향상시키는가?
• RQ3 하드웨어 수정 없이도 기존 전력 절약 기능을 활용해 소프트웨어 기반으로 정밀한 큐 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 표준 802.11 DCF와 기존 TDMA에 비해 hMAC의 대역폭 및 공정성 성능은 어떠한가?
• RQ5 hMAC는 소프트 액세스 포인트 아키텍처에서 동적 스펙트럼 슬라이싱 및 향상된 핸드오버를 얼마나 잘 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 은닉 노드 환경에서 hMAC는 총 다운링크 대역폭 8.8 Mbit/s를 달성했으며, 기존의 노드 기반 TDMA의 4.2 Mbit/s에 비해 두 배로 증가했다.
• hMAC 하에서 링크 AP1-STA2는 안정적인 1 Mbit/s 대역폭을 확보했으며, 이는 기존 TDMA 성능과 동일했고, AP1-STA3는 5.5 Mbit/s를 기록해 기존 TDMA의 1.2 Mbit/s보다 4배 이상 높았다.
• 표준 802.11 DCF는 은닉 노드 환경에서 지속적인 충돌로 인해 STA2의 대역폭이 거의 0에 가까웠다(손상된 프레임).
• hMAC는 하드웨어 수준에서 CSMA/CA가 활성화되어 있어 기존 802.11 장치와의 호환성을 유지한다.
• 짧은 시간 슬롯(<10 ms)을 사용할 경우 사용자 공간에서 커널 공간으로의 Netlink 메시지 지연이 비결정적이어서 타이밍 제로가 발생한다.
• 저자들은 하드웨어 인터럽트 바인딩을 통해 시간 스케줄링을 커널 공간으로 이관하여 10ms 미만의 슬롯 정밀도를 확보할 것을 권장한다.