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ひでよりとみもと
4 years ago
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1 無線ネットワークの模擬 (1j) タンスウファー湯素華湯 ( タン ) Slide 2 概要授業概要無線 LN によく使用されている CSM/C( 搬送波感知多重アクセス / 衝突回避 ) を学びそれを実装して複数端末がチャネルを共有して通信できる無線ネットワークを模擬キーワード : チャネルアクセス制御搬送波感知多重アクセス / 衝突回避説明 CSM/C: Carrier Sense Multiple ccess/collision voidance CSM/C は無線 LN のみならず分散的なネットワークにもよく使用されているチャネルアクセス制御手法勉強の上実装 1

2 湯 ( タン ) Slide 3 授業予定実験場所 :CED 室エリア5 授業予定 10 月 3 日 10 月 15 日西ほかの日 CED 室で個別指導質問について授業資料西号室へ直接聞きに行くメールベース shtang@uec.ac.jpへメールを送信次の授業タイミングで CED 室に行って回答宿題 CSM/C で端末間の通信を実現できるよう実装レポート提出湯 ( タン ) Slide 4 1 回目提出資料実装予定 ( 電子ファイル :PPT, Word, PDF のいずれ ) メールで提出〆切 :10 月 13 日 ( 土 ) 夜 12 時 2 回目ソースコード :Matlab, C/C++, C#, Java, Python などのいずれ readme ファイル ( コンパイル実行に関する説明 ) レポート :Word, PPT, PDF のいずれメールで提出〆切 :11 月 7 日 ( 水 ) 夜 12 時メール提出先 :shtang@uec.ac.jp 学籍番号名前がわかるように 2

3 湯 ( タン ) Slide 5 レポートに含まれる内容 1. CSM/C を理解したうえでその概要を書く 2. フローチャート及びソースコードとの関係 ( 主要関数の説明 ) 3. 動作確認使用するネットワークに対して CSM/C の動作シーケンスを書く CW の動的調整結果を書く 4. CSM/C の利点と欠点及びその理由 5. 感想 ( 難易度面白さ応用性など ) 湯 ( タン ) Slide 6 無線 LN 無線 LN モジュールはノートパソコンに限らずスマートフォンにも導入された Infrastructure mode: 端末はアクセスポイント (P) に接続端末は P を経由してインタネット上のウェブをアクセス d hoc mode: 端末同士間の通信特徴 : 近距離高いデータレート IEEE a/g 54Mbps IEEE n/ac もっと高い帯域幅アンテナ数に依存複数端末は同じアクセスポイント (P) と通信同時に送信したら? CN Content server Internet P P1 P2 P3 d hoc mode Infrastructure mode node i 3

湯 ( タン ) Slide 7 IEEE 802.11 rchitecture 湯 ( タン ) Slide 8 IEEE 802.

4 湯 ( タン ) Slide 7 IEEE rchitecture 湯 ( タン ) Slide 8 IEEE の位置づけ Transport layer Network layer TCP/UDP/RTP IPv4, IPv6 Mobile IPv4, Mobile IPv6 Data link layer LLC sub layer MC sub layer Physical layer Overview, rchitecture, Management, Internetworking 802.1D 802.1X CSM/CD logical link control Wireless Local rea Networks Wireless Personal rea Networks roadband Wireless ccess Wireless Regional rea Networks

5 湯 ( タン ) Slide 9 IEEE Revisions MC d Intl roaming a 54 Mbps 5GHz b 11 Mbps 2.4GHz e QoS h DFS & TPC i Security f Inter P j JP bands g 54 Mbps 2.4GHz z TDLS r Fast Roam k RRM Y Contention ased Protocol p WVE n High Throughput (>100 Mbps) W Management Frame Security s Mesh u WIEN V Network Management ae QoS Mgt Frames aa Video Transport af TV Whitespace ac VHT ad VHT ai FILS ak Link aq Link az Positioning ba Wakeup radio ax HE WLN 6Gbps@5GHz aj 40 & 60 GHz ay 60 GHz ah <1GHz PHY 湯 ( タン ) Slide 10 無線 LN の主要パラメータ物理層標準周波数帯域幅 Stream data rate 通信範囲発表 llowable 変復調方式屋内屋外時間 (GHz) (MHz) (Mbit/s) MIMO streams (m) (m) 1997 Jun , 2 N/ DSSS, FHSS a Sep ~54 N/ OFDM 3.7 5,000 b Sep ~11 N/ DSSS g Jun ~54 N/ OFDM n Oct / ns GI : 7.2~ ns GI : 15~ ns GI : 7.2~ ac Dec MIMO OFDM ns GI : 15~ ns GI : 32.5~ ns GI : 65~ ad Dec ,160 Up to 6,912 (6.75 Gbit/s) N/ OFDM, single carrier ah May 低レート ( センサネットワーク ) ax Est / acの拡張 MIMO OFDM ay adの拡張 4 OFDM, single carrier

6 湯 ( タン ) Slide 11 無線 LN の通信は一定幅の周波数帯域を使用チャネル 2.4GHz 5.8GHz 帯域幅 :20MHz 40MHz 80MHz 160MHz 無線 LN のチャネル湯 ( タン ) Slide 12 チャネル共有複数のチャネルが使用できる隣接の P は通常異なるチャネルを使用一つの P は一つの SS(basic service set) を形成同じ SS に属する端末は同じチャネルを共有チャネルアクセスプロトコルチャネルを共有するための動作手順無線 LN:PCF/DCF PCF(Point coordination function): P による集中制御 DCF(Distributed coordination function): 自律分散制御 6

7 湯 ( タン ) Slide 13 DCF and PCF 各 P は周期 (100ms) 的に beacon という frame を送信端末が P を検知できるように eacon によってチャネルは superframe に割当てられる CFP:contention free period 送信衝突無し : どの端末が送信するか P によって指定される PCF は通常実装されていない CP: contention period 各端末はチャネルを競いあう CSM/C を使用 : 同時送信による衝突が起こりうる 100ms 13 湯 ( タン ) Slide 14 Carrier Sense 各端末は carrier sense 閾値を設けるチャネルから受信した信号の受信信号強度 (RSSI) が carrier sense 閾値以下であればチャネルが idle とするどの端末も送信していないまたは送信端末が遠くてその RSSI が carrier sense 閾値以下 C D RSSI Carrier sense 閾値 (-85dm) 距離 7

湯 ( タン ) Slide 15 RSSI の算出電波伝搬 :2 波モデルがよく使用される Free space と 2 波モデルの組み合わせ送受信機間の距離による減衰 d crossover = (4 * π * h tx * h rx ) / λ c M = λ c / (4 * π * d) if (d < d crossover ) // free space Pr = (g tx

8 湯 ( タン ) Slide 15 RSSI の算出電波伝搬 :2 波モデルがよく使用される Free space と 2 波モデルの組み合わせ送受信機間の距離による減衰 d crossover = (4 * π * h tx * h rx ) / λ c M = λ c / (4 * π * d) if (d < d crossover ) // free space Pr = (g tx * g rx * M 2 ) / L 1 else // 2 波モデル Pr = (g tx * g rx * h 2 tx * h 2 rx) / (d 4 * L 1 ) Pr dm = 10 * log10(pr) + P tx dm RSSI dm = Pr dm L 2 h tx d パラメータ値送信アンテナ高さh tx 1.5m 受信アンテナ高さh rx 1.5m 送信アンテナ利得 g tx 1.0 受信アンテナ利得 g rx 1.0 損失 L その他損失 L 2 2.5d 周波数 (2.4GHz) 波長 λ c 0.125m 送信電力 P tx dm 20dm h rx もしくはを参照湯 ( タン ) Slide 16 CSM/C の概要誰も使っていないかをみる搬送波があるかをチェック使っていない再送ランダムな時間を待って送る CK CK が来ない使っている待つ CSM/C 人間対話 CS RSSIをチェック音を聞く衝突検知 CK 無し他人の会話を聞く衝突回避ランダム待ちランダム待ち補助手段制御フレーム相手を見る 8

9 湯 ( タン ) Slide 17 隠れ端末さらし端末隠れ端末問題とCが互いに聞こえないからへの送信がCに届かず Cが同時に送信するとが正しく受信できない RTS/CTSを使えばデータ送信のチャネルを事前に予約 RTS/CTSも隠れ端末の問題の影響を受けるさらし端末問題からの送信の影響で CからDへの同時送信ができなくなる CSM/C: 隠れ端末問題を部分的に解決さらし端末問題は未解決 RTS: request to send CTS: clear to send RTS CTS C C D 隠れ端末問題さらし端末問題湯 ( タン ) Slide 18 Virtual Carrier Sense 長いデータフレームを送信時衝突したら無駄が多い対策 : 短い制御フレーム (RTS/CTS) でチャネルを予約してからデータフレームを送信すべてのフレームは現在の通信シーケンスはいつまで続くかの情報を持つ他端末は受信したら NV を設置 NV 有効期間に carrier を検知できなくても送信しない RTS/CTS は短いため衝突してもコストが低いデータフレームの短い場合 :RTS/CTS のコストが大きいため使用しない実際のシステムでは RTS/CTS があまり使用されていない C D RTS: request to send CTS: clear to send NV: network allocation vector RTS DT C CTS CK D NV (RTS) NV (CTS) NV (DT) 9

10 湯 ( タン ) Slide 19 Virtual Carrier Sense RTS/CTS がなくても動作可能受信側の隠れ端末問題が起こりうる C D DT C CK NV (DT) D 湯 ( タン ) Slide 20 バックオフ送信データがある際各端末は一定間隔 (slot=9us) で周期的にチャネルを観測チャネルが idle(carrier が無しかつ NV が無効 ) であれば送信開始そうでなければ (busy) 0~CW の一様分布から抽出したランダム時間をバックオフカウンタに設定ランダムバックオフこれはなぜ必要か? チャネルが idle になったら idle slot ごとにバックオフカウンタを 1 ずつ減少バックオフカウンタが 0 になったら直ちに送信途中でチャネルが busy になったらバックオフカウンタの減少を一時停止チャネルが再度 idle になったらバックオフカウンタの減少を続けるバックオフカウンタに同じ値を設置したら衝突送信失敗他端末送信端末 1 端末 2 O 1 = 25 slot O 2 = 20 wait data O 1 = 5 O 2 = 15 CW: contention window CW = 31 data wait O 2 = 10 10

11 シーケンス湯 ( タン ) Slide 21 シーケンス一つのデータフレームを送信するためにフレームのシーケンス (DT/CK または RTS/CTS/DT/CK) が送信されるフレームのシーケンスの間に最小 DIFS のスペースが必要 SIFS は同じシーケンスにおけるフレームを区別するためのスペース DIFS/SIFS の間にバックオフカウンタを減少しない t SLOT = 9us, t SIFS = 16us, t DIFS = t SIFS + t SLOT * 2 レポートに backoff と送信時間を一例書くこと t CK t CK P usy t DIFS t SLOT t SIFS CK t DIFS t SLOT t SIFS CK Start (O =8) t DT Start (O =4) P t DT C Start (O C =3) P C 湯 ( タン ) Slide 22 IEEE g frame format 64+PL bytes MC header (24 bytes) LLC header (8 bytes) IP header (20 bytes) UDP header (8 bytes) Payload (PL bytes) MC FCS (4 bytes) PLCP header RTE (4 bits) RESV (1 bit) LEN (12 bits) PR (1 bit) TIL (6 bits) Service (16 bits) MPDU (1 to 4095 octets) TIL (6 bits) PD bits PLCP Preamble (12 symbols) t PREMLE =16us Signal (1 OFDM sym) t SIGNL =4us DT (1 to 4095 octets) 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps Rate table = [ 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54] Mbps N itpersym = [ 24, 36, 48, 72, 96, 144, 192, 216] it/symbol t SYMOL = 4us Data 送信時間 = 20us + ceil{[22+(64+pl)*8] / N itpersym } * t SYMOL 11

12 湯 ( タン ) Slide 23 送信時間の算出 RTS/CTS/CK:14byte Service/tail の追加 :16+6bits 合計 N it = 14* bits DT Payload:PL bytes Header( 合計 64bytes):MC(24)+LLC(8)+IP(20)+UDP(8)+FCS(4) Service/tail の追加 :16+6bits 合計 N it = (64 + PL)* bits 送信時間の算出 54Mbps N itpersym = 216 t PREMLE = 16us, t SIGNL = 4us, t SYMOL = 4us t DT = t PREMLE + t SIGNL + t SYMOL * ceil (N it / N itpersym ) 湯 ( タン ) Slide 24 一連の流れ各端末は MC 層でフレームを作成 P へ送信 (Wait for frame to transmit はいつも TRUE) チャネルが idle でない際他端末の送信が終了するまで待機バックオフ (CW を使用 ) バックオフカウンタが 0 になったら最初のフレーム (RTS または DT) を送信 (Transmit frame) 複数の端末は同時に送信したら衝突発生送信が失敗 CTS/DT/CK は SIFS 後送信データ送信終了後 CW を調整 12

13 湯 ( タン ) Slide 25 NV 終了 WF_NV WF_DIFS 状態遷移 ( 例 ) CH USY CH IDLE の判断は RSSI を元に CW 調整再送他端末宛フレームを受信 CH USY CK OFF O!=0 O==0, DT O==0, DT Start TX Data IDLE X_RO DCST X_RTS RTS 受信 WF_CTS CTS 無 X_CTS DT 受信 (RSSI 計算 ) 受信後 SIFS 間隔 WF_DT X_CK X_UNI CST 送信後 SIFS 間隔 WF_CK CK 無 CW 調整湯 ( タン ) Slide 26 CW の調整 CWの初期値はCW min CKを受信できなければ衝突によるパケットロスと判断 CWを2 倍に CW min{2 CW+1, CW max } ( 統計的に ) より長い待ち時間を設定チャネルがidleになったら新しいCWでバックオフカウンタを設定し再送 CKを受信できれば CWを最小値 CW min に設定レポートにCWの調整を一例書くこと 0~15 CW min =15 0~31 0~63 0~127 CW max =127 13

14 湯 ( タン ) Slide 27 シミュレーション条件 4 台の端末から P へ送信 Payload size=1000bytes MC 層でフレームを生成送信パラメータは前のスライドを参照各フレームの時間を正確に算出 P (100,100) (90,95) C (95,90) (105,90) D (110,95) 14

出岡雅也旭健作鈴木秀和渡邊晃名城大学理工学部

出岡雅也旭健作鈴木秀和渡邊晃名城大学理工学部 ( ) Study of Access Control Method in Ad-hoc Networks that Prevents Hidden Terminal Problems using Strong Busy Tone Masaya Izuoka, Kensaku Asahi, Hidekazu Suzuki, Akira Watanabe(Meijo University) 1 2 IEEE802.11