SN比を考慮した 無線スケジューリング方式 慶應義塾大学 間 博人, 田村陽介，徳田英幸 < [email protected]> 発表の流れ 研究の背景 無線環境の問題点 SNR based Packet Scheduling（SPS） 関連研究との比較 設計 性能評価 まとめと今後の課題 研究背景 無線ネットワークの急速な普及 無線ネットワークを構成する新しい規格の登場 しかし無線ネットワークでは…． 周波数資源が制限されている 位置により回線品質が変動する 無線資源を効率的に利用する回線品質に適応し た枠組みの提供の必要性 無線ネットワーク（IEEE802.11）に おける問題 非適応型フローでは 無駄が生じる ２ １ Ｅｒｒｏｒ 無線端末１ ２ １ 無線端末２ ２ １ 無線端末３ 無線基地局 ‥‥ ４ ４ ４ ３ ３ ３ 無線端末の位置により回線状態が異なるため 送信できる量が異なる 本研究のアプローチ SPS：SNR-based Packet Scheduling 無線端末の回線品質を基に帯域を割り当てる – 回線品質の指標であるSN比を利用する • ＳＮ比（Signal-to-Noise Ratio） • 受信信号電力と雑音電力の比から計算する SNR 10Log10 S (W ) N (W ) 高いSN比のフローに割当て帯域を大きくする SN比とウェイトは定義したスケジューリングポリ シーにより柔軟に割り当て可能 関連研究 チャネル状態依存パケットスケジュ－ラ CSDPS : Channel State Dependent Packet Scheduler – 基地局が無線端末とのチャネル状態を予測 – チャネル状態がGood であれば送信しBadであ れば送信しない 補償アルゴリズム – CSDPSでは チャネル状態の善し悪しによる資 源割り当ての不公平が生じる – チャネル状態の回復後，チャネルエラーによる 損失分を補償する SPSとCSDPSとの比較 CSDPS 無線端末チャネル状態はGood or Badの2通り – Good 状態であれば送信しBad 状態であれば送信しない SPS 無線端末のSNRを基に細かく閾値を定めることが 可能 – 複数の割り当て方式を柔軟に適用可能 ＳＰＳの構成 SPS Monitor @ Base Station @ Mobile Host SNR Frame Receiver SNR Frame Sender Notify Frame Update SNR Table Scheduling Policy Bandwidth Allocator SPS Forwarder Arrival Packet Packet Classifier Scheduler Multiple Queues per Host Dispatched Packet Scheduling Policy SPS G/B (SPS-GB) – 閾値 D 以上であれば weight を 1, D以下であれば weight を 0 とする SPS Piece-wise linear (SPS-PW) – 複数の閾値を設定し各閾値間を linear に結ぶ SPS G/B 1 Good 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 Bad 0.1 0.2 0 2 4 6 l Bad 0.1 D 0 Good 0.9 w w 0.9 SPS Piece-wise linear 1 8 10 D1 0 0 2 D2 D4 D3 4 6 l 8 10 実験環境 100Mbps Ether net AP CH 2Mbps Wave LAN MH 1 MH 2 Bad Condition Good Condition ＣＨからＭＨへＵＤＰデータフローをCBRで送信 (2000Kbps, 1470byte, 14.7M) APにおいて FIFO, SPS-GB, SPS-PW をそれ ぞれ適用する． G/B と Piece-wise linear の Snapshot SPS-GB 閾値D以上のMHで 帯域が平等に分配される SPS-PW SNRの変化によりスムーズに 割り当て帯域が変化する G/B と Piece-wise linear の性能比較 PW: (D1=3, D2=5, D3=7, D4=9) GB1: D=3 GB2: D=6 GB3: D=9 MH2 1200 MH1 Throughput (kbps) 1000 164 240 899 823 197.8 800 316 MH1: 24.5db MH2: 5.9db 357 600 400 200 766.2 530 523 FIFO FIFO GB1 GB1 0 GB2 GB2 GB3 GB3 PW PW FIFO と PW を比較すると20%程度 Total Throughput が向上する まとめと今後の課題 ＳＮ比を考慮したパケットスケジューリング方式 SPSを提案した – FIFOと比較し20％のThroughput の性能向上 – SNRと割当て帯域の関係を柔軟に定義できる ＳＰＳの性能評価 – MHが増加した場合の評価 – フィードバック頻度と性能の関係 割り当て方式の閾値の決定方法 補償アルゴリズムの追加 Q and A TCP Throughput と SNRの関係 1000 900 800 Throughput(kbps) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 SNR(db) 10 12 14 16 縦軸: Throughput (Kbps) 横軸: ＳＮＲ (db) 無線基地局から無線端末へ3分間のTCP Throughput FreeBSD3.4 + NCR WaveLan SNRの推移 30 30 25 25 20 SNR SNR 20 15 15 10 10 5 5 0 0 0 0 100 200 300 400 500 時間(sec) 600 700 800 900 1000 縦軸: SNR(ｄｂ) 100 200 300 400 500 600 時間（sec） 横軸: 時間(sec） 同地点においてもSNRは±２位の範囲で変動する。 700 800 900 1000 SPS と WirEdge の違い SPS は WirEdge を発展しさせたもの WirEdge は 静的に帯域を制限する評価に留まる SPSではSNRに合わせて動的に割り当て帯域を 変更可能 WirEdge ではSNRからどのように帯域を割り当て るかの考察は無い (SNR が13以下には600kbps 割り当てる) SPSでは スケジューリングポリシーを導入し柔軟 な割り当て方式を適応可能 考察 FIFO と PW を比較すると20%程度 Total Throughput が 向上する – FIFO は, MH1, MH2 に500Kbps ずつ送信するが， そのうちMH2 に送った200Kbps 分は無駄になる． SPSではこの無駄を効率よく他のホストに分配する GB1 は閾値が低すぎてほとんど帯域制御していないた めFIFOに近いパフォーマンス GB3 は Total Throughput はPWと同等だが, 閾値が高 すぎるため，MH2の帯域を必要以上に制限している GB2 はバランスはGB3 より良いが，パフォーマンスは PW より劣る． 既存研究における チャネル推定例 ACKの利用 AC ta Da K ? Sender Receiver RTS / CTS (Request to send / Clear to send) の利用 AC ta Da S RT Receiver K ? Sender CT S 実装２ 6 6 2 6 4 4 Ether destination addr Ethernet Source addr frame type Sender Ethernet addr Sender IP addr Sender SNR value Ether header Ether SNR fields ＳＮＲ報告フレームのフォーマット 電波状態と通信性能の測定 測定環境 ＣＨ から ＭＨ１へＴＣＰフローを3分間送信し 転送速度とSNR を同時に測定 – – 転送速度は Netperf を用い測定 ＳＮＲは ＭＨ１側で3秒おきに測定 帯域制御による性能の向上 片方のＳＮＲが低い場合 FIFO ALTQ＋CBR 784 1028 MH１ SNR：２５ MH２ SNR：６ 789 592 197 244 SNR：高 SNR：低 合計 帯域制御を行う事で 無線ネットワーク全体で21% 通信効率が上昇した 既存研究 チャネル状態依存パケットスケジューラ CSDPS: Channel State Dependent Packet Scheduler Ｅｒｒｏｒ 無線端末１ ３ ２ 無線端末２ ３ ２ 無線端末３ 無線基地局 Bad ５ ４ ３ ２ １ Good ６ ５ ４ Good ６ ５ ４ Good 状態のホストだけに スケジューリング
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