[論文レビュー] hMAC: Enabling Hybrid TDMA/CSMA on IEEE 802.11 Hardware

Sven Zehl, Anatolij Zubow+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2016

Wireless Networks and Protocols参考文献 13被引用数 10

ひとこと要約

hMAC は、ATH9K ソフトMACドライバを用いて商用 IEEE 802.11 ハードウェア上でソフトウェアのみで実装されたハイブリッド TDMA/CSMA MACアーキテクチャであり、各リンクごとのタイムスロット割り当てを可能にする。パower-saving 機能を活用して Netlink を介してソフトウェアキューを一時停止／再開することで、細かい干渉管理を実現し、従来の TDMA と比較して合計スループットを2倍（8.8 vs. 4.2 Mbit/s）に向上させつつ、従来の 802.11 デバイスとの互換性を維持している。

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.

研究の動機と目的

• 隠れノードによる共周波数干渉が引き起こす Wi-Fi ネットワークの性能劣化を解消すること。
• 従来のノード単位の TDMA に起因する空間的再利用の非効率性と、干渉しないリンクへの不公平を是正すること。
• ファームウェare やハードウェアの変更なしに、COTS 802.11 ハードウェア上で細かい粒度の各リンクごとの TDMA スケジューリングを可能にすること。
• 標準 802.11 デバイスとの後方互換性を維持しつつ、スペクトル効率と公平性を向上させること。
• 住宅および企業用 Wi-Fi ネットワークにおける干渉管理および動的スペクトルスライシングのためのオープンソースで拡張可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• hMAC は、Netlink メッセージを介して ATH9K ソフトMACドライバのソフトウェアパケットキューを制御するユーザースペーススケジューラとして動作する。
• 既存の 802.11 パワーサービング機能を活用し、リンクごと・トラフィッククラスごとにキューの一時停止／再開を実現する。
• TDMA タイムスロットは、AP1-STA2 などの各無線リンクごとに割り当てられる（AP単位ではなく）ため、干渉のないリンク間で同時に送信が可能になる。
• CSMA/CA はハードウェアレベルで継続的に動作するため、変更のない 802.11 デバイスとの互換性が保証される。
• 集中型の干渉管理方式により、競合するリンクペア（例：隠れノード）を特定し、排他的なタイムスロットにスケジューリングする。
• タイミングジッタを軽減するため、ガードスロットと 10 ms 以上の長い時間間隔を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COTS 802.11 ハードウェア上で各リンクごとの TDMA スケジューリングが、隠れノードによる共周波数干渉を顕著に低減できるか？
• RQ2 従来のノード単位の TDMA と比較して、各リンクごとの TDMA が空間的再利用性と全体のネットワークスループットを向上させるか？
• RQ3 ソフトウェアのみのソリューションが、ハードウェア変更なしに既存のパワーサービング機能を活用して細かい粒度のキュー制御を実現できるか？
• RQ4 標準 802.11 DCF および従来の TDMA と比較して、hMAC のスループットと公平性はどの程度の性能を示すか？
• RQ5 hMAC は、ソフトアクセスポイントアーキテクチャにおける動的スペクトルスライシングおよび改善されたハンドオーバーをどの程度サポートできるか？

主な発見

• 隠れノード状況では、hMAC は合計ダウンリンクスループットを 8.8 Mbit/s に達成し、従来のノード単位の TDMA（4.2 Mbit/s）と比較して2倍の性能を示した。
• hMAC では、AP1-STA2 リンクが安定した 1 Mbit/s のスループットを達成し、従来の TDMA と同等の性能を示したが、AP1-STA3 では 5.5 Mbit/s を達成し、従来の TDMA（1.2 Mbit/s）と比較して4倍以上に向上した。
• 標準 802.11 DCF では、隠れノード状況で持続的な衝突が発生したため、STA2 のスループットはほぼゼロ（破損フレーム）にまで低下した。
• hMAC は、CSMA/CA がハードウェアレベルで動作し続けるため、従来の 802.11 デバイスとの互換性を維持している。
• 短いタイムスロット（10 ms 未満）を使用する際、ユーザースペースとカーネルスペース間の Netlink メッセージ遅延の非決定的性質により、タイミングジッタが生じる。
• 著者らは、10 ms 未満のスロット精度を実現するため、時間スケジューリングをカーネル空間に移行し、ハードウェア割り込みバインディングを導入することを推奨している。