千葉大学 大学院工学研究科 都市環境システムコース 塩田研究室
千葉大学 大学院工学研究科
都市環境システムコース
塩田 茂雄
Shioda Laboratory, Chiba University
無線LAN関連の研究テーマ
■無線マルチホップネットワークにおけるクロス
レイヤQoS制御
（黄重陽君）
■ IEEE802.11ベース無線LANの性能解析法
（黄重陽君）
■ レイトレーシングの高速化技法
（日下美穂さん）
2
Shioda Laboratory, Chiba University
クロスレイヤQoS制御
■複数のレイヤのQoS制御機能を組み合わせること
で，単一レイヤより高効率なQoS制御を実現する．
■NW層での制御例
MAC層（IEEE802.11）
MAC層（IEEE802.11e）
NW層
NW層
CW小（送信待機短）
問題点
Priority
品質の相対保障（品質差別化）はで
きるが，品質の全体保障ができない
VO
VI
BE
Non-Priority
BK
CW大（送信待機長）
PQ
品質の絶対保障可
4
クロスレイヤQoS制御
Shioda Laboratory, Chiba University
■トランスポート層での制御例
アクセスポイント
優先端末
MAC層（IEEE802.11） NW層
Priority
Non-Priority
非優先
端末
PQによる抑制
PQ
品質の絶対保障可
端末からのフレーム
送信（TCP ACK）も
同時に抑制される
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Shioda Laboratory, Chiba University
無線マルチホップＮＷへの拡張
メッシュポイント
（MP）
メッシュ
ＡＰ（MAP）
メッシュ
ＡＰ（MAP）
シングル無線ＬＡＮと同じ制御方式を
無線マルチホップにも適用できるか？
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無線マルチホップＮＷへの拡張
Shioda Laboratory, Chiba University
■考え方
①MP，MAPのネットワーク層に優先パケット，非優先パ
ケット別にバッファを用意する
②Priority Queueにより，優先パケット用バッファから
優先的にパケットを取りだし，MAC層に渡す
③MAC層（＋物理層）にはIEEE802.11 DCFを適用する
④MP，MAPの優先バッファのキュー長を観測し，観測結
果に基づきMAPで適応的ROCを非優先端末に適用して，
非優先パケットを抑制する．
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無線マルチホップＮＷへの適用例
■制御あり（クロスレイヤ制御）
1.0
1.0
0.1
0.1
0.01
0.001
1.0x10-4
VoIP2
VoIP4
VoIP6
VoIP8
VoIP10
1.0x10-5
1.0x10-6
Packet Loss Ratio
Packet Loss Ratio
Shioda Laboratory, Chiba University
■制御なし
0.01
0.1%
0.001
1.0x10-4
VoIP2
1.0x10-5
VoIP4
1.0x10-6
0
2
4
6
8
Number of TCP Flows
10
0
2
4
6
8
10
Number of TCP Flows
8
クロスレイヤQoS制御
■制御あり（クロスレイヤ制御）
1.0
1.0
0.1
0.1
0.01
0.001
1.0x10-4
VoIP2
VoIP4
VoIP6
VoIP8
VoIP10
1.0x10-5
Packet Loss Ratio
Packet Loss Ratio
Shioda Laboratory, Chiba University
■制御あり（IEEE802.11e）
0.01
0.1%
0.001
1.0x10-4
VoIP2
1.0x10-5
VoIP4
1.0x10-6
1.0x10-6
0
2
4
6
8
Number of TCP Flows
10
0
2
4
6
8
10
Number of TCP Flows
9
Shioda Laboratory, Chiba University
IEEE802.11
■ランダムアクセスプロトコル（共通のネット
ワークリソースを端末が自律分散的に共有・利
用して，通信を行うためのプロトコル）の一つ
■特徴
①フレームを送信する前にキャリアセンスする．
②キャリアセンスして，誰かが使っていれば，タイマ（バックオ
フタイマ）をセットしてタイマが切れるまで待つ．タイマが切れ
たら直ちにフレームを送信する．
③フレーム送信に失敗したら，やはりタイマをセットして，タイ
マが切れるまで送信を控える．タイマが切れたら再送する．
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IEEE802.11の性能解析モデル
Shioda Laboratory, Chiba University
■スロットベースモデル
G. Bianchi, ”Performance Analysis of the IEEE802.11 Distributed Coordination
Function,” IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol. 18, no. 3, 2000.
・IEEE802.11では時間はスロット単位に離散化されて
いる．
・端末のバックオフタイマ，バックオフステージが次の
スロットでどのように変化するかをマルコフ過程でモ
デル化し，定常状態を求める．
例１：バックオフタイマが3，バックオフステージが0のとき．
次のスロットでは，確率1でバックオフタイマが2，
バックオフステージが0になる．
（通常はこのように単純な遷移で済む）
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IEEE802.11の性能解析モデル
Shioda Laboratory, Chiba University
■スロットベースモデル（続き）
例2：バックオフタイマが0，バックオフステージが0のとき．
次のスロットではフレームを送信するが，送信に成功す
るか否かで遷移先が分かれる．
①送信に成功する場合（送信に成功する確率＝(1 − 𝜏)𝑁−1 ）
バックオフタイマは0から31のいずれか
バックオフステージは0
②送信に失敗する場合（失敗する確率＝1 − (1 − 𝜏)𝑁−1 ）
バックオフタイマは0から63のいずれか
バックオフステージは1
マルコフ過程の定常状態確率は陽に計算できる．
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Shioda Laboratory, Chiba University
IEEE802.11eへの対応
■スロットモデル（Bianchiモデル）は，AIFSによる品質
差別化（AIFSが小さいほどリソースをつかみ易い）がう
まくモデル化できない．
■フレーム送信サイクルモデル
DATA FRAME
タイマー再開
AIFS小
AIFS大
ACK
サイクル先頭での
端末の状態をマルコフ
連鎖でモデル化
AIFSの違いに伴うタイマー停止期間
ith cycle
(i+1)th cycle
I. Tinnirello and G. Bianchi, “Rethinking the {IEEE}802.11e {EDCA} Performance
Modeling Methodology,” IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 18, no.2, 2010.
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Shioda Laboratory, Chiba University
IEEE802.11eへの対応
■フレーム送信サイクルモデルでは，サイクルの開始時点
におけるバックオフタイマ，バックオフステージの値が
次のサイクル開始時点でどのように変化しているかをマ
ルコフ過程でモデル化する．
タイマー再開
AIFS小
AIFS大
AIFSの違いに伴うタイマー停止期間
ith cycle
(i+1)th cycle
スロットモデルよりマルコフ過程の遷移は複雑にな
るが，AIFSの違いがきちんと考慮できる．
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IEEE802.11eへの対応
上下フローの不公平性を解消するため，上りフローはBEクラス，下り
フローはVOクラスで運んだ場合．
0.07
Downlink
0.06
Throughput [Mbps]
Shioda Laboratory, Chiba University
■数値例（複数のVoIPをWLANに多重）
0.05
Uplink
0.04
0.03
0.02
Simulation
0.01
0
Proposed model
0
5
10
15
20
25
Number of wireless stations
30
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電波伝搬特性の解析
Shioda Laboratory, Chiba University
■ 無線LAN用電磁波の屋内伝搬特性の解析
レイトレーシング法（レイランチング法，鏡像法）
FDTD（Finite Difference Time Domain）法
• 屋内の特徴：壁や什器が，側壁・天井・床に平行ま
たは垂直に配置されている場合が多い
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電波伝搬特性の解析
Shioda Laboratory, Chiba University
■ 屋内伝搬特性の解析例
（床から210m, 170m, 130m, 90m, 50mの位置）
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Shioda Laboratory, Chiba University
レイトレーシング法
■電波を光（Ray：レイ）とみなし，送信点から受信点まで
の伝搬路を追跡することで伝搬特性を推定する方法
■伝搬損失（等方的なアンテナの場合）
直接波のみ
𝜆2
𝐿=
(4𝜋𝑟)2
𝜆：波長， 𝑟：発信点からの距離
反射波が一つある場合
𝐿=
𝜆2
𝜆2 𝑅2
𝜆2 𝑅2
+
+
(4𝜋𝑟)2 (4𝜋𝑟2 )2 (4𝜋𝑟𝑟2 )2
電場ベクトル
2𝜋
𝜆
𝑒1 ∙ 𝑒2 cos(
𝑟 − 𝑟2 )
干渉項
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鏡像法
■発信点から受信点に至る経路（レイ）を幾何学的
に見つける方法
① 反射面の組み合わせとその反射順序を選択
② 鏡像点を計算
③ 選択した反射面の組み合わせ通りに，実際に反射し
て受信点に至るレイ（経路）が存在するかを確認
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鏡像点とレイの見つけ方
Shioda Laboratory, Chiba University
壁1，壁2の順序で反射して，受信点に到達するレイ
壁1で反射して，受信点に到達するレイ
直接，受信点に到達するレイ
壁1に対する鏡像点
発信点
受信点
壁1→壁2に対する鏡像点
壁1
壁1で反射して
到達するレイ
壁1と2で反射
直接波
して到達する
レイ
壁2
障害物（什器）の数が増えるに従って，反射壁の組み合
わせの数が爆発的に増大する．
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Shioda Laboratory, Chiba University
高速化のための工夫
■レイを探索する「反射壁の組み合わせ」の候補
を絞りこむ．
① 同じ鏡像点を生成する反射壁の組み合わせを避ける
② 利用される可能性の低い壁を除外する
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高速化のための工夫Ⅰ
■同じ鏡像点を生成する反射壁の組み合わせを
避ける
面1→面2の順で反射
するときの鏡像点
面1
面2→面1の順で反射
するときの鏡像点
同じ鏡像点を生成
発信点
面2
受信点
• 反射面が互いに直交する場合,鏡像点はその反射順序に
依存しない
• レイは 面１→ 面２の順序の経路 にしか存在しない
（1つの鏡像点に対してレイは高々1つしか存在しない）
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高速化のための工夫Ⅱ
Shioda Laboratory, Chiba University
■反射面の履歴をとり，反射面の候補を絞り込む
• ある一定の反射回数までは 全ての面 を考慮
• 反射回数がしきい値を超えたら，反射面とし
て使用された 履歴のある面のみ 反射面の候補
とする
例 反射回数最大６回・履歴を保存する反射回数４回
反射回数１～４回まで：すべての面を対象としてレイを
探索
反射回数５回以降：反射回数４回までに反射面となった
面のみを反射面の候補とする
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Shioda Laboratory, Chiba University
シミュレーション評価例
• 反射と透過を考慮
• 構造物の数：39個
• 送信アンテナの高さ：
天井から50㎝下
• 構造物の絞り込みによ
る高速化は，反射回数
4回までに使われた壁
のみ，その後のシミュ
レーションに利用
発信点
受信点
12m
2.5m
30m
評価対象フロア
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シミュレーション評価例
Shioda Laboratory, Chiba University
壁での反射＋透過が最大6回まで行われる経路（レイ）を考慮する場合
シミュレーション方法
シミュレーション時間
単純な探索方法
65分
鏡像点の重複回避
25秒
鏡像点の重複回避
＋反射面の絞り込み
10.1秒
壁での反射＋透過が最大5回まで行われる経路（レイ）を考慮する場合
シミュレーション方法
鏡像点の重複回避
鏡像点の重複回避
＋反射面の絞り込み
シミュレーション時間
商用シミュレータA
2.26秒
1.04秒
1分59秒
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