[논문 리뷰] Modeling, Simulation and Fairness Analysis of Wi-Fi and Unlicensed LTE Coexistence

Morteza Mehrnoush, Rohan Patidar외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 29.

Wireless Networks and Protocols참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 5 GHz 대역에서 고정된 도핑 사이클링을 사용하는 라이센스가 없는 LTE(LTE-DC)와 Wi-Fi 간의 공존을 연구하기 위해 새로운 분석 모델과 ns-3 기반 시뮬레이션 프레임워크를 제안한다. 50%의 도핑 사이클링 조건에서, Wi-Fi 노드 수가 증가할수록 다른 동일한 Wi-Fi 네트워크와 공존할 때보다 LTE-DC와 공존할 때 더 높은 Throughput를 달성함을 입증한다.

ABSTRACT

Coexistence of small-cell LTE and Wi-Fi networks in unlicensed bands at $5$ GHz is a topic of active interest, primarily driven by industry groups affiliated with the two (cellular and Wi-Fi) segments. A notable alternative to the 3GPP Rel. 13 defined LTE-Licensed Assisted Access (LTE-LAA) mechanism for coexistence is the unlicensed LTE (LTE-U) Forum \cite{lteuforum} that prescribed Carrier Sense Adaptive Transmission (CSAT) whereby LTE utilizes the unlicensed band as a supplemental downlink unlicensed carrier (to enhance downlink data rate) to normal operation using licensed spectrum. In this work, we provide a new analytical model for performance analysis of unlicensed LTE with fixed duty cycling (LTE-DC) in coexistence with Wi-Fi. Further, the analytical results are cross-validated with ns-3 (www.nsnam.org) based simulation results using a newly developed coexistence stack. Thereafter, notions of {\em fair coexistence} are investigated that can be achieved by tuning the LTE duty cycle. The results show that as the number of Wi-Fi nodes increases, the Wi-Fi network in coexistence with LTE-DC with 0.5 duty cycling achieves a higher throughput than with an identical Wi-Fi network.

연구 동기 및 목표

• 라이센스가 없는 5 GHz 대역에서 LTE-DC와 공존하는 Wi-Fi의 Throughput 성능에 대해 투명하고 분석적으로 검증된 모델을 개발하는 것.
• 접근성 및 Throughput 공정성 지표에 중점을 두어 Wi-Fi와 LTE-DC 간의 공존 공정성에 대해 연구하는 것.
• 완전한 버퍼 조건 하에서 LTE-DC 도핑 사이클링이 Wi-Fi 성능에 미치는 영향과 다양한 수의 Wi-Fi 노드 조건을 평가하는 것.
• 최근 구현된 공존 스택을 사용하여 ns-3 시뮬레이션을 통해 분석 모델을 검증하는 것.
• 기존 LTE-U 포럼의 도핑 사이클링 권고 사항이 현실적인 조건에서 Wi-Fi와의 공정한 공존을 보장하는 데 충분한지 평가하는 것.

제안 방법

• 완전한 버퍼 조건 하에서 LTE-DC와 공존하는 Wi-Fi의 Throughput에 대한 새로운 분석 모델을 개발하였으며, 이는 캐리어 센스 및 백오프 행동을 기반으로 한다.
• 공정성 지표를 정의: 접근 공정성(동일한 접근 확률)과 Throughput 공정성(스탠얼론 Wi-Fi Throughput의 절반을 확보함)을 기준으로 한다.
• LTE-DC와 Wi-Fi 간의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 ns-3에 공존 스택을 구현하였으며, 고정된 도핑 사이클링 및 캐리어 센싱을 포함한다.
• 다양한 시나리오에서 분석 모델의 예측값을 ns-3 시뮬레이션 결과와 비교하여 분석 모델의 정확성을 검증하였다.
• MATLAB을 사용하여 수치적으로 최적의 LTE-DC 도핑 사이클링 α를 해결함으로써 접근 공정성과 Throughput 공정성을 달성하는 조건을 도출하였다.
• 고정된 1500바이트 패킷 크기 조건 하에서 채널 조건(T_C = 10ms, 30ms)과 Wi-Fi 속도(6 Mbps, 54 Mbps)가 다양하게 설정된 세 가지 시나리오에서 공정성 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 도핑 사이클링 조건에서, LTE-DC와 공존하는 Wi-Fi 네트워크의 Throughput는 스탠얼론 Wi-Fi 네트워크와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 접근 공정성(공존하는 Wi-Fi와 스탠얼론 Wi-Fi 간의 동일한 접근 확률)을 달성하기 위해 필요한 LTE-DC 도핑 사이클링 α는 얼마인가?
• RQ3 Throughput 공정성(스탠얼론 Wi-Fi의 절반 Throughput를 확보함)을 달성하기 위해 필요한 LTE-DC 도핑 사이클링 α는 얼마인가?
• RQ4 Wi-Fi 노드 수가 증가할수록 공정성을 확보하기 위해 필요한 LTE-DC 도핑 사이클링 α는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 실제 조건에서 Wi-Fi와의 공정한 공존을 보장하기 위해 LTE-U 포럼의 권고사항(도핑 사이클링 < 0.5)은 충분한가?

주요 결과

• LTE-DC와 공존하는 Wi-Fi의 Throughput에 대한 분석 모델은 ns-3 시뮬레이션 결과와 강한 일치를 보이며, 정확도가 검증되었다.
• 접근 공정성의 경우, 최적의 LTE-DC 도핑 사이클링 α는 매우 높은 편(1에 가까움)이며, 이는 Wi-Fi가 공유하는 무선 시간과 Throughput가 최소임을 의미하므로, 자원 사용 측면에서 LTE-DC는 매우 불공정하다.
• Throughput 공정성의 경우, Wi-Fi 노드 수가 증가할수록 필요한 LTE-DC 도핑 사이클링 α가 증가함을 확인하였으며, 이는 Wi-Fi에 대해 여전히 공정한 조건에서 LTE-DC가 더 많은 무선 시간을 사용할 수 있음을 의미한다.
• α = 0.5일 경우, Wi-Fi 노드 수가 증가할수록 다른 동일한 Wi-Fi 네트워크와의 공존보다 LTE-DC와의 공존에서 더 높은 Throughput를 달성한다.
• Wi-Fi 노드가 5개 이상일 경우, 공정성을 확보하기 위해 필요한 α 값이 0.5를 초과하므로, LTE-U 포럼의 권고사항(α < 0.5)은 충분하지 않다.
• Throughput 공정성은 접근 공정성보다 유리한 편이며, 이는 Wi-Fi 성능이 다른 Wi-Fi 네트워크와 비교해 떨어지지 않도록 하면서 LTE-DC가 더 많은 스펙트럼을 활용할 수 있음을 의미한다.