[논문 리뷰] Virtualization of Multi-Cell 802.11 Networks: Association and Airtime Control

Mahsa Derakhshani, Xiaowei Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 14.

Wireless Networks and Protocols참고 문헌 32인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 가상화된 다셀 802.11 네트워크에서 다수의 ISP 간 공정한 공유를 보장하면서 네트워크 처리량을 최대화하기 위해 공동의 STA-AP 연결 및 공기 시간 제어 방안을 제안한다. 전송 확률을 사용하여 비볼록 최적화 문제를 수립하고, 반복적 기하프로그래밍과 단항 근사화를 통해 이를 해결하며, EDCA를 3차원 마르코프 체인으로 모델링하여 제어 파rameter를 전송 확률로 매핑함으로써 낮은 복잡도로 최적 성능를 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates the virtualization and optimization of a multi-cell WLAN. We consider the station (STA)-access point (AP) association and airtime control for virtualized 802.11 networks to provide service customization and fairness across multiple internet service providers (ISPs) sharing the common physical infrastructure and network capacity. More specifically, an optimization problem is formulated on the STAs transmission probabilities to maximize the overall network throughput, while providing airtime usage guarantees for the ISPs. Subsequently, an algorithm to reach the optimal solution is developed by applying monomial approximation and geometric programming iteratively. Based on the proposed three-dimensional Markov-chain model of the enhanced distributed channel access (EDCA) protocol, the detailed implementation of the optimal transmission probability is also discussed. The accuracy of the proposed Markov-chain model and the performance of the developed association and airtime control scheme are evaluated through numerical results.

연구 동기 및 목표

• 공유된 물리적 802.11 WLAN 인fra에서 다수의 ISP 간 공정하고 효율적인 자원 공유 문제를 해결하기 위해.
• 경쟁 기반 MAC 프로토콜에서 전송 간의 결합성이 가상 네트워크 격리와 공정성에 악영향을 미치는 문제를 극복하기 위해.
• 전체 네트워크 처리량을 최대화하면서 각 ISP에 대한 최소 공기 시간 보장을 보장하는 동시에 STA-AP 연결과 공기 시간 할당을 공동 최적화하기 위해.
• 비볼록 최적화 문제를 기하프로그래밍과 단항 근사화를 통해 반복적으로 해결할 수 있는 저복잡도의 반복 알고리즘을 개발하기 위해.
• 실제 구현을 위해 EDCA 파rameter(CW, AIFS)와 STA 전송 확률 간의 정밀한 매핑을 수립하기 위해.

제안 방법

• ISP의 공기 시간 예약 제약 조건 하에 STA 전송 확률 조정을 통해 네트워크 처리량을 최대화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 반복적 기하프로그래밍과 단항 근사화를 적용하여 비볼록 문제를 해석 가능한 볼록 하위문제의 시퀀스로 변환한다.
• 백오프 단계, 백오프 윈도우, 백오프 카운터의 공동 동역학을 포착하기 위해 EDCA 프로토콜의 삼차원 마르코프 체인 모델을 개발한다.
• 마르코프 체인에서 정적 확률의 해석적 표현을 유도하여 EDCA 파rameter에 대한 STA 전송 확률 계산이 가능하게 한다.
• 목표 전송 확률을 설정 가능한 EDCA 파rameter(CW 및 AIFS)로 매핑하는 제어 법칙을 수립하여 실시간 구현을 가능하게 한다.
• IEEE 802.11e 표준과 일관성을 유지하기 위해 백오프 단계에 따라 CW 값을 정의하는 지수적 백오프 규칙을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유된 802.11 네트워크에서 다수의 ISP 간 처리량 최대화와 공정성 확보를 위해 STA-AP 연결 및 공기 시간 제어를 어떻게 공동 최적화할 수 있는가?
• RQ2 가상화된 ISP를 가진 경쟁 기반의 멀티셀 WLAN 환경에서 전송 확률 제어가 처리량과 공정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 3차원 마르코프 체인 모델이 EDCA 프로토콜의 행동을 얼마나 정확하게 포착할 수 있으며, 이를 통해 STA 전송 확률의 정밀 제어가 가능한가?
• RQ4 반복적 기하프로그래밍과 단항 근사화가 처리량과 공정성 간의 상충 관계로 인한 비볼록 최적화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 다중 속도, 다중 ISP 환경에서 EDCA 파arameter(CW, AIFS)와 해당하는 STA 전송 확률 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 반복적 기하프로그래밍 알고리즘은 낮은 계산 복잡도로 최적 해에 수렴하여 실용적 구현이 가능하다.
• 3차원 마르코프 체인 모델은 EDCA 프로토콜의 동역학을 정확하게 포착하며, 정적 확률에 대한 해석적 표현 덕분에 정밀한 전송 확률 유도가 가능하다.
• 수치 결과는 기존의 Max-SNR 및 로드 밸런싱 연결 기법 대비 집합적 처리량과 공정성 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 이 방안은 전체 네트워크 효율성을 극대화하면서 각 ISP에 대한 공기 시간 보장을 성공적으로 이행하여 공동 최적화 프레임워크의 효과성을 입증하였다.
• 제어 알고리즘은 AIFS와 CW 값을 공동 조정함으로써 목표 전송 확률을 달성하여 실현 가능성을 확인하였다.
• 단항 근사화 방법은 양항 함수에 대해 날카운 국소 하한을 제공하여 반복적 기하프로그래밍 과정에서 수렴성과 최적성 보장을 보장한다.