[论文解读] Delay Analysis of Hybrid WiFi-LiFi System

Sihua Shao, Abdallah Khreishah+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文分析了混合WiFi-LiFi系统中的延迟性能，比较了非聚合（请求路由至两个网络之一）与聚合（请求在两个网络间拆分）两种配置。在泊松到达和指数分布请求大小的条件下，证明了带宽聚合可降低最小平均系统延迟，并提出了一种高效的近似方法来确定最优拆分比例，其延迟损失低于3%。

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.

研究动机与目标

• 评估在不同配置下混合WiFi-LiFi网络中的系统延迟。
• 从平均系统延迟的角度，比较非聚合与聚合系统架构。
• 推导非聚合系统中最优的流量分配比例。
• 为聚合系统中的最优请求拆分比例提出一种高效近似方法。
• 通过实验验证带宽聚合相对于非聚合的延迟优势。

提出的方法

• 采用M/D/1队列模型对WiFi和VLC链路进行建模，假设请求以泊松过程到达且请求大小呈指数分布。
• 推导非聚合系统中平均系统延迟作为流量分配比例α的函数。
• 将聚合系统的平均系统延迟表述为E[max(D_WiFi, D_VLC)]，并利用顺序统计量表示E[min(D_WiFi, D_VLC)]。
• 提出一种近似方法，用于估计聚合系统中使延迟最小化的最优拆分比例α，满足实际约束条件。
• 通过仿真与解析建模，对比不同参数（λ, μ, B₁, B₂, N）下近似聚合系统与非聚合系统的性能。
• 采用聚合系统中近似最小延迟与非聚合系统中最小延迟的比值作为性能度量指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 与非聚合路由相比，混合WiFi-LiFi系统中的带宽聚合是否能降低最小平均系统延迟？
• RQ2 在非聚合系统中，使平均系统延迟最小化的最优流量分配比例是多少？
• RQ3 能否为聚合系统中的最优请求拆分比例开发一种高效近似方法，且延迟损失极小？
• RQ4 系统参数（如流量负载λ、请求处理速率μ、带宽B₁, B₂）如何影响聚合与非聚合系统的延迟性能？
• RQ5 VLC接入点数量（N）对聚合带来的延迟降低增益有何影响？

主要发现

• 通过顺序统计量的解析证明，聚合系统实现的最小平均系统延迟低于非聚合系统。
• 所提出的聚合系统中最优拆分比例的近似方法，与理论最优解相比，延迟损失低于3%。
• 当VLC接入点数量N从1增至10时，近似带来的最大额外延迟为2.7%。
• 当WiFi带宽较小而VLC带宽较大时，聚合带来的延迟降低最为显著；随着N增加或λ与μ上升，增益逐渐减小。
• 在测试的仿真参数下，聚合系统近似最小平均系统延迟比非聚合系统低至少16%。
• 当λ ≈ 0.33、μ ≈ 58、B₁ ≈ 70时，延迟损失最小，表明该近似方法的最优工作点在此参数区域。