This article is a technical report without peer review, and its polished and/or extended version may be published elsewhere. Copyright ©20●● by IEICE
無線 LAN アクセスポイントのチャネル内競合と
チャネル間干渉を同時に考慮したチャネル割当手法
熊谷 菜津美
†磯村 美友
†村瀬 勉
‡小口 正人
††お茶の水女子大学 〒112-8610 東京都文京区大塚 2-1-1
‡NEC 〒211-8666 神奈川県川崎市中原区下沼部 1753
E-mail: †{natsumi, mitomo}@ogl.is.ocha.ac.jp, ‡[email protected], †[email protected]
あらまし 近年，モバイルルータやテザリングなど移動無線 LAN システムが増加している．このことから，従
来の想定以上の多くの無線 LAN システムが近距離にひしめく環境が多くなってきた．多くの無線 LAN システムが
存在する環境で，全体の高性能化を計るためには適切なチャネル割当が必須である．本稿では，まず従来のような
チャネル間干渉を考慮したチャネル選択のみならず，チャネル内競合(コリジョンによる性能低下)も考慮する必要
があるといった基本的な割当規則について述べる．さらに，干渉と競合のメカニズムを分析し，それらの影響度合
いを決定している具体的な要因を列挙する．また，実機を用いて，干渉と競合の定量評価を実機により行い，無線
LAN 全体のスループットが極度に低下することを示す．一方，現状を把握するため，市販の実機に具備されている
自動チャネル選択(ACS)機能を用いた場合の割当性能を評価した結果も示す．これに対して，割当規則を考慮した
結果，少しの工夫で，ACS よりも高いスループットを得る割当ができたことも報告する．
キーワード チャネル割当，無線 LAN，干渉，衝突
Optimal channel assignment with considering contention and interference
in intra-channel and inter-channel in massive multiple wireless LANs
Natsumi KUMATANI
†Mitomo ISOMURA
†Tutomu MURASE
‡and Masato OGUCHI
††Ochanomizu University Otsuka 2-1-1, Bunkyo-ku, Tokyo, 112-8610 Japan
‡NEC Corporation 1753 Shimonumabe, Nakahara-ku, Kawasaki, Kanagawa, 211-8666 Japan
E-mail: †{natsumi, mitomo}@ogl.is.ocha.ac.jp, ‡[email protected], †[email protected]
Abstract Recently, the numbers of the mobile wireless LAN systems that are composed of mobile APs or
tethering-smartphones and mobile terminals are increasing. This suggests the possibility that the channels for IEEE802.11 are
not suitably assigned to the each LAN when many wireless LANs come closed each other. In order to obtain higher
performance such as total throughput of the WLANs, the channel assignment is supposed to be a key technology. This paper
explains basic rules of an optimal channel assignment. The assignment should be with considering both contention and
interference in intra-channel and inter-channel interference. From the analysis of the contention and interference mechanisms,
factors deciding effectiveness of performance degradation are described. Evaluations by using real APs and terminals showed
that contention and interference severely affected total throughputs of all WLANs. Also, ACS(automatic channel selection)
mechanism, which is equipped in almost all APs were shown to be never optimized for many WLANs. Instead of the ACS
assignment, a small change from the assignment, based on the assignment rules, improved total throughput.
Keyword channel assignment, channel selection, wireless LAN, interference, collision
1. は じ め に
近 年 ， モ バ イ ル ル ー タ や テ ザ リ ン グ な ど 移 動 無 線 LAN シ ス テ ム が 増 加 し て い る ． モ バ イ ル ル ー タ と は ， イ ン タ ー ネ ッ ト と の 接 続 に は 3G や Wimax など の無線 通 信 技 術 を 使 い ， パ ソ コ ン や ゲ ー ム 機 な ど の 無 線 対 応 機 器 は IEEE802.11[1]の 無線 LAN で接 続す るル ータで あ る ． ま た テ ザ リ ン グ と は ， ス マ ー ト フ ォ ン を ア ク セ ス ポ イ ン ト (AP)と して ，個 人の 端末 を イ ンタ ーネ ット に 接 続 す る 機 能 の こ と で あ る ． こ の モ バ イ ル ル ー タ や テ ザ リ ン グ の 普 及 は ，個 人 が 移 動 無 線 LAN シス テムを 持 つ こ と を 意 味 し ，多 く の 無 線 LAN シ ステ ムが 一時的 に あ る い は 恒 久 的 に 密 集 す る こ と に つ な が る ．つ ま り ， 従 来 の 想 定 以 上 の 非 常 に 多 く の 無 線 LAN シ ステ ムが 近 距 離 に ひ し め く 可 能 性 を 示 唆 し て い る ． こ の と き ，各 無 線 LAN へ のチ ャネ ル割当 次第 で ，制御 対象 として い る 全 て の 無 線 LAN の合 計ス ル ープ ット(トー タルス ル ー プ ッ ト )が大き く変 わっ てくる ため ，割 当方 法が重 要 で あ る ．す な わ ち ，他 の チ ャ ネ ル の 無 線 LAN からの 「 干 渉 」と 同 チ ャ ネ ル の 無 線 LAN との「 競合 」で ある． 干 渉 と は ， 主 と し て 他 の チ ャ ネ ル の 無 線 LAN か らの cross-talk (チ ャ ネ ル 間 干 渉 と 呼 ぶ )で あ り ， 競 合 と は ， 同 じ チ ャ ネ ル で CSMA/CA にて 帯域を 共有 し ，衝突(コ ン テ ン シ ョ ン )制御 を共 有す る無 線 LAN か らの 影響 (チ ャ ネ ル 内 競 合 と よ ぶ )で ある ． 従 来 ，無 線 LAN の AP チャ ネル割 当に 関す る研究 に お い て は ， 主 と し て 干 渉 を 考 慮 し た 割 当 が 行 わ れ て き た ． し か し な が ら ， 移 動 せ ず 固 定 の AP に 対し ては有 効 な 手 法 も ， 移 動 す る AP に関 して， ある いは ，固定 AP 群 の 中 に 新 し く 持 ち 込 ま れ る AP に よ り 常 に 変 動 す る 干 渉 状 況 に 追 随 す る の が 困 難 で あ る ． こ れ ら の 問 題 点 に 対 し て ， 集 中 あ る い は 分 散 処 理 か つ ダ イ ナ ミ ッ ク に 最 適 な チ ャ ネ ル を 割 り 当 て る (DCA) 研 究 が な さ れ て い る [2][3]． 従 来 の DCA 研究 にお いて は ，資 源で ある チャネ ル 数 と ユ ー ザ で あ る 無 線 LAN シ ステ ム数 は 同数 程度 ，と の 前 提 で 方 式 が 検 討 さ れ て い た ． し か し な が ら ， 前 述 の よ う に 無 線 LAN 数が 多くな って くる と ，同じ チャネ ル に 多 数 の 無 線 LAN シ ステ ムを 多重 せざ るを得 なく な る ． 従 っ て ， 従 来 研 究 に お い て は 考 慮 さ れ て い な か っ た 干 渉 と 競 合 を 同 時 に 考 慮 し た チ ャ ネ ル 割 当 が 必 要 と な る ． 本 稿 で は ，ま ず ，チ ャ ネ ル 間 干 渉 お よ び チ ャ ネ ル 内 競 合 の 特 性 を 基 に ， チ ャ ネ ル 割 当 の 基 本 方 針 に つ い て 述 べ る ．ま た ，こ の チ ャ ネ ル 割 当 を 考 慮 す る に 当 た っ て ， 現 状 で AP がど の よ う な 自 動 チ ャネ ル 割 当 (ACS)を行 い ， ど の 程 度 の 最 適 さ を 提 供 可 能 で あ る の か を 把 握 す る ． 筆 者 ら は 既 に 市 販 実 機 を 用 い て 多 く の 無 線 LAN が 近 接 す る 場 合 の チ ャ ネ ル 選 択 傾 向 の 調 査 を 行 っ て い る [4]．本稿で は，さら に，チャ ネル間 干渉 およ びチャ ネ ル 内 競 合 の 影 響 を 実 機 に て 計 測 す る ． 最 後 に ， 数 種 の 割 当 例 の ト ー タ ル ス ル ー プ ッ ト を 比 較 し ， チ ャ ネ ル 割 当 方 針 と ト ー タ ル ス ル ー プ ッ ト の 関 係 を 定 量 評 価 す る ．
2. 従 来 研 究
無 線 チ ャ ネ ル は 限 ら れ た 資 源 で あ る た め ， こ れ を 有 効 活 用 す る 必 要 が あ る ．例 え ば ，利 用 希 望 の 無 線 LAN を 漏 れ な く 収 容 し ， な お か つ 最 大 の ス ル ー プ ッ ト を 得 る こ と が 求 め ら れ る ． こ の と き ， 有 効 な の が ， チ ャ ネ ル 割 当 制 御 [2][3][5]であ る． チ ャ ネ ル 割 当 制 御 で は ，各 無 線 LAN に 特定 のチャ ネ ル を 割 り 当 て る ． 割 当 は ， 干 渉 な ど を 考 慮 す る 必 要 が あ り ， 古 く は [2]の ような 無線 ATM シ ステ ムで ，すで に 考 え ら れ て い た ． さ ら に ， チ ャ ネ ル へ の 無 線 LAN 多 重 度 と 干 渉 の 影 響 を 考 慮 し た 理 論 的 な チ ャ ネ ル 割 当 制 御 方 法 に よ り ，新 規 無 線 LAN がチャ ネル を選 択する と き の 新 規 無 線 LAN の 期待 獲得 帯域 を最 大にす る 最 適 チ ャ ネ ル 選 択 制 御 の 大 枠 は 明 確 に な っ て き た [6]． し か し な が ら ，多 く の 無 線 LAN 全 体を 制御 対象と し ， 全 体 の チ ャ ネ ル 割 当 を 最 適 に 編 成 す る よ う な 制 御 方 法 に つ い て は ， 未 だ 知 ら れ て お ら ず ， 電 波 資 源 の 有 効 利 用 と い う 点 か ら も こ の 検 討 が 重 要 に な る ． さ ら に は ， 実 機 に お い て ， こ の よ う な 理 論 的 割 当 方 法 が ど の 程 度 妥 当 で あ る か ど う か の 調 査 も ， 必 須 で あ る ． 各 チ ャ ネ ル か ら の 干 渉 は ， 理 論 の よ う に 均 質 で は な い も の と 予 想 さ れ る ．ま た ，各 機 器 の デ バ イ ス の 特 性 な ど に よ り ， デ バ イ ス か ら の 送 出 波 自 体 が ， 理 論 の よ う に 均 質 で は な い 可 能 性 が あ る ．ま た ，制 御 対 象 外 の 無 線 LAN の存 在 と い っ た 要 因 も 考 慮 す る 必 要 が あ る ． こ れ ら の 要 因 は ，無 線 LAN の数が 少な い場 合にも 考 慮 す べ き で あ る ．一 方 ，無 線 LAN の数 が多い 場合 には ， 多 く の 無 線 LAN が 1 つ のチ ャネ ルを共 有す るこ とから チ ャ ネ ル 内 競 合 に よ る ス ル ー プ ッ ト 低 下 が 起 こ る ． し か し な が ら ， こ の チ ャ ネ ル 内 競 合 と チ ャ ネ ル 間 干 渉 を 同 時 に 考 慮 し た 図 1 の よう なモ デルに おけ るチ ャネル 割 当 お よ び ス ル ー プ ッ ト 特 性 調 査 に つ い て は ， 従 来 研 究 で は な さ れ て い な か っ た ． そ こ で 本 研 究 で は ，多 く の 無 線 LAN が 近づ く環境 に お い て ，チ ャ ネ ル を 最 適 に 割 り 当 て る 方 法 を 検 討 す る ． 今 回 の 報 告 で は ， チ ャ ネ ル 間 干 渉 と チ ャ ネ ル 内 競 合 の 影 響 が ど の 程 度 ， 通 信 品 質 を 劣 化 さ せ る か を 調 べ る た め ，ス ル ー プ ッ ト を 測 定 し た ．さ ら に ，AP が自 動で選 択 す る チ ャ ネ ル 割 当 は ， ど の 程 度 最 適 に 割 り 当 て ら れ て い る か を 評 価 し た 結 果 を 示 す ． ch2 ch3 ch4 ch5 ch7 ch9 ch10 ch11 ch12 WLAN WLANWLAN WLAN WLAN
WLAN WLAN WLAN WLAN ch6 ch8 ch13 ch1 WLAN
WLAN WLAN WLAN
WLAN WLAN WLAN 図 1 チ ャネル 利用 状況 と干渉
3. 干 渉 と 競 合
無 線 LAN の 性 能(本稿 では スルー プッ ト )を 劣化さ せ る も の と し て ， 干 渉 と 競 合 が 挙 げ ら れ る ． す な わ ち ， 無 線 LAN は ，他 のチ ャネル の無 線 LAN か らの 干渉と 同 チ ャ ネ ル の 無 線 LAN からの 競合 が起 こる．ま ず，こ の 干 渉 と 競 合 に つ い て ，劣 化 の メ カ ニ ズ ム を 説 明 す る ．3.1. 干 渉
干 渉 と は ，他 の チ ャ ネ ル の 無 線 LAN の 電波 が自チ ャ ネ ル の 無 線 LAN の 電波 に 重な り ，受信 電波 特性 を劣化 さ せ る こ と で あ る ． IEEE802.11 無線 LAN に許 可され て い る 2.4GHz 帯 では，ある チャ ネルを 使用 する 場合， 出 力 さ れ る 電 波 は チ ャ ネ ル に 対 応 し た 周 波 数 を 中 心 と し て 広 が る た め ， 実 際 に は 隣 接 す る チ ャ ネ ル に 相 当 す る 周 波 数 帯 も 利 用 す る ． そ の た め ， 隣 接 す る チ ャ ネ ル 同 士 を 利 用 す る と ， ど ち ら も 同 じ 周 波 数 帯 を 使 用 す る た め 無 線 LAN フレ ーム に，他の チャネ ルの 電波 が重な っ て フ レ ー ム が 破 壊 さ れ る ． あ る い は ， 信 号 が 受 信 に 十 分 で あ れ ば ， キ ャ リ ア と し て 見 な さ れ る た め ， 送 信 待 ち が 発 生 す る ．た だ し ，同 じ く 許 可 さ れ て い る 5GHz 帯 で は ， 隣 接 チ ャ ネ ル で 干 渉 は 発 生 し な い ． 普 及 し て い る IEEE802.11g の 2.4GHz 帯にお いて は， 無 線 LAN チャ ネル は ，5Hz 間隔で 13 のチ ャネ ル (米国 で は 11 の チャ ネル )が 配置 され ている ．こ れら を周波 数 の 低 い ほ う か ら チ ャ ネ ル 1～ チャ ネル 13 と 呼ぶ ．干 渉 は ， チ ャ ネ ル 1 と 6 と いっ たよう にチ ャネ ル差が 5 以 上 で は 起 こ ら ず ， 4 以下 では起 こり ，ま たそ の干渉 の 強 さ は ， チ ャ ネ ル 差 が 小 さ い ほ ど 大 き い ． 図 1 の← は ， チ ャ ネ ル 差 と チ ャ ネ ル 間 干 渉 の 大 き さ の 違 い を 表 し た も の で あ る ． 端 の チ ャ ネ ル (例 えば チ ャネ ル 1 と 13)は 隣 接 す る チ ャ ネ ル が 少 な い た め 干 渉 が 少 な い チ ャ ネ ル と な る ．一 般 的 に ，無 線 LAN は ，有 限の チャネ ル を 最 大 限 に 利 用 し ， 干 渉 を 避 け る よ う な チ ャ ネ ル 割 当 を 行 う た め ， 両 端 の チ ャ ネ ル と 真 ん 中 の チ ャ ネ ル つ ま り ， 1, 6, 11(あ るい は 11 の代 わり に 13)をデ フォル ト で 使 用 す る こ と が 多 い [7][8][9]．3.2. 競 合
次 に ， 競 合 と は ， 同 じ チ ャ ネ ル で CSMA/CA を行 い 有 限 の 帯 域 を 共 有 す る メ カ ニ ズ ム に よ り ， 品 質 劣 化 の 原 因 と な る フ レ ー ム 衝 突 (コ リ ジ ョ ン )が 発 生 す る こ と で あ る ． 衝 突 に よ り ， 待 ち 時 間 が 長 く な り ， ま た フ レ ー ム 再 送 が 行 わ れ る た め ， ス ル ー プ ッ ト は 低 下 す る ． こ の 衝 突 は ，チ ャ ネ ル を 共 有 す る 無 線 LAN が増 加する ほ ど 多 く な る ．こ の 現 象 は ，2.4GHz 帯お よび 5GHz 帯 に お い て ， 同 一 チ ャ ネ ル 内 で 発 生 す る ． ま た ， コ リ ジ ョ ン が 発 生 し た 場 合 で も ， 競 合 相 手 の 電 波 が 弱 い 等 の 場 合 に は キ ャ プ チ ャ ー エ フ ェ ク ト に よ り ， 正 常 な フ レ ー ム 受 信 が 行 わ れ る ．4. チ ャ ネ ル 割 当
以 上 の 干 渉 と 競 合 の 特 性 を 考 慮 し て ， チ ャ ネ ル 最 適 割 当 の 基 本 方 針 を 決 定 す る ． ま ず ， 5GHz 帯の よ うな チ ャ ネ ル 間 干 渉 が 起 こ ら な い ， つ ま り 競 合 の み の 場 合 と ，2.4GHz 帯のよ うな 干渉 も競 合も 同 時に 起こ りうる 場 合 と に 分 け て 考 え る ．4.1. 競 合 のみの場 合
2.4GHz 帯 に お け る 干 渉 し な い チ ャ ネ ル の み を 用 い る 場 合 ，あ る い は 5GHｚ帯 を用 いる場 合に は ，競合の み の 影 響 を 考 慮 し て 割 当 を 行 う ． 競 合 の 度 合 い は ， コ リ ジ ョ ン の 度 合 い で あ る た め ， コ リ ジ ョ ン の 特 性 を 考 慮 し た 割 当 に な る ． コ リ ジ ョ ン は ， 端 末 や AP が送信 を 同 時 に 行 う 場 合 に 発 生 す る ． 同 時 送 信 の 可 能 性 は ， 送 信 す る 端 末 が 多 い ほ ど 大 き く な り ， ま た ， コ ン テ ン シ ョ ン ウ イ ン ド ウ (CW)が 小さい ほど 大き くなる ．本稿 で は ，多 少 と な る 全 て の 無 線 LAN がデ フォ ルト 設定 の CW を 使 用 し て い る と 仮 定 す る ． こ れ に よ り ， 送 信 す る 端 末 数 (ア ク テ ィ ブ 端 末 数)が 競 合 の 度 合 い を 決 め る こ と に な る ． ア ク テ ィ ブ 端 末 数 は ， AP も 含 め て 無線 LAN 内 の ，送 信 す べ き デ ー タ を 持 っ て い る 端 末 数 で あ る ．TCP ACK 待ち でパ ケッ トを 送るこ とが 出来 ない端 末 や ，VoIP のよう に，定期 的か つリン ク容 量に 比べて 低 速 で パ ケ ッ ト を 送 信 す る 端 末 が パ ケ ッ ト を 送 ら な い 期 間 に い る 端 末 な ど の 場 合 は ， ア ク テ ィ ブ 端 末 数 に は 計 上 さ れ な い ． 従 っ て ，ア ク テ ィ ブ 端 末 が 多 い 無 線 LAN ほど，競 合 に 大 き な 影 響 を 与 え る ．ま た ，UDP の よう な片 方向通 信 の 場 合 よ り も ，TCP のよ うな 送達確 認を 行う 双方向 通 信 の ほ う が ， ア ク テ ィ ブ 端 末 を 増 や す ． ア ク テ ィ ブ 端 末 数 の 大 き さ と 競 合 に よ る ス ル ー プ ッ ト 低 下 の 関 係 は ，単 純 で は な い ．そ の た め ，端 末 の ト ラ ヒ ッ ク 特 性 ， AP と TE 間 の 距 離 と い っ た 要 因 を 考 慮 し て チ ャ ネ ル 割 当 を 行 う 必 要 が あ る ． ま た ， 一 般 的 に 考 え て ， チ ャ ネ ル を 有 効 に 利 用 す る よ う な 割 当 も 重 要 で あ る ． チ ャ ネ ル の 利 用 効 率 を 上 げ る た め に ， 次 の よ う な 割 当 規 則 が 適 用 可 能 で あ る ． 各 チ ャ ネ ル の 利 用 率 を 出 来 る だ け 均 等 化 す る ． す な わ ち ，端 末 の ト ラ ヒ ッ ク 量 が 異 な る 無 線 LAN が ある場 合 ， ト ラ ヒ ッ ク 量 の 少 な い (unsaturated)無線 LAN を複 数 用 い て 1 つのチ ャネ ルに 割り 当てる とい った ように ， 無 線 LAN の トラ ヒッ ク量の 合計 とチ ャネ ルのリ ンク 容 量 と の 差 が 小 さ く な る よ う に す る ． こ れ に よ り ， チ ャ ネ ル の リ ン ク 容 量 が 最 大 限 使 用 さ れ る た め ， 無 線 LAN の ト ー タ ル ス ル ー プ ッ ト を 大 き く す る こ と が で き る ．し か し な が ら ，1 つ のチ ャネ ルに無線 LAN をま と め る と ア ク テ ィ ブ 端 末 数 が 増 え る た め ， 衝 突 が 起 こ り や す く な る と い う デ メ リ ッ ト も あ る ． 一 方 ， ト ラ ヒ ッ ク 量 の 少 な い 場 合 は ， 衝 突 も 起 こ り に く い た め ， ど の 程 度 の ト ラ ヒ ッ ク 量 と ア ク テ ィ ブ 端 末 数 が 最 も 最 適 で あ る か の 検 討 は ， 今 後 の 課 題 で あ る ． ま た 次 に ，AP と TE 間 の距 離が異 なる など 異なる 伝 送 レ ー ト を 用 い て い る 複 数 の 無 線 LAN へ のチャ ネル 割 当 方 法 に つ い て 説 明 す る ．AP と TE 間の 距離 が大き く な っ た 場 合 な ど に ， 伝 送 レ ー ト は 自 動 的 に 低 下 す るよ う な 仕 組 み が 通 常 取 り 入 れ ら れ て い る ． 伝 送 レ ー ト が 小 さ く な る と ，無 線 LAN のス ループ ット は伝 送レー ト 以 下 と な っ て し ま う ．伝 送 レ ー ト の 低 い 端 末 (あるい は 無 線 LAN)と 高い 端 末 で１ つ の チャ ネ ル を共 有 した 場 合 ， ス ル ー プ ッ ト が 著 し く 低 下 す る と い う 特 性 が あ る ．そ の た め ，伝 送 レ ー ト が 小 さ い 無 線 LAN には ，複 数 で チ ャ ネ ル を 共 有 さ せ ， で き る だ け 伝 送 レ ー ト が 大 き い 無 線 LAN を別 のチ ャネル に割 り当 てるこ と で ，無 線 LAN 全体の スル ープ ットを 増加 でき る．
4.2. 競 合 も干 渉 も起 こる場 合
競 合 に 加 え て ， 干 渉 も 起 こ る 場 合 に は ， 干 渉 の 影 響 と 競 合 の 影 響 の 双 方 を 考 慮 す る 必 要 が あ る ． ま ず ， 干 渉 に つ い て 述 べ ， つ い で ， 干 渉 と 競 合 を 同 時 に 考 慮 す る 割 当 方 法 に つ い て 述 べ る ． 干 渉 に お い て ， 注 目 す べ き は ， ト ラ ヒ ッ ク 量 の 影 響 で あ る ． 電 波 的 な 干 渉 に つ い て は ， 3.1 節で 述 べ たと お り チ ャ ネ ル 差 に 依 存 す る ． さ ら に ， 干 渉 の 影 響 は ， ト ラ ヒ ッ ク 量 に 依 存 す る ． 干 渉 は ， 近 隣 の チ ャ ネ ル か ら の 干 渉 波 す な わ ち ， フ レ ー ム 送 信 に よ り 発 生 す る た め ， ト ラ ヒ ッ ク 送 出 時 間 の 大 小 が 干 渉 の 時 間 の 大 小 と 合 致 す る は ず で あ る ． フ レ ー ム 送 信 を ど の 端 末 が 行 っ た か に は 関 係 な い た め ， 競 合 の 説 明 で 述 べ た よ う な 無 線 LAN 数やア クテ ィブ 端末数 には 依存 しない ． 干 渉 が 無 い 場 合 の ス ル ー プ ッ ト は 送 信 ト ラ ヒ ッ ク 量 に 応 じ て 増 加 し ， 干 渉 は ト ラ ヒ ッ ク 量 に 応 じ て 増 加 す る ． 従 っ て ， 干 渉 を 最 小 に す る ト ラ ヒ ッ ク 量 が 存 在 す る 可 能 性 が あ り ， そ の 可 能 性 は ， い く つ か の 近 隣 チ ャ ネ ル の 送 信 ト ラ ヒ ッ ク 量 に よ り 決 ま る は ず で あ る ． 競 合 と 上 記 干 渉 の 特 性 を 考 慮 す る と ， 次 の よ う な 割 当 規 則 が 妥 当 で あ ろ う ．ま ず ，基 本 規 則 は ，無 線 LAN 数 が 比 較 的 少 な い と き に は ， 干 渉 の 影 響 を 主 と し て 考 え て ， 割 当 を 行 う ． 例 え ば ， チ ャ ネ ル 1,6,11 の ような 干 渉 が 起 こ ら な い チ ャ ネ ル の み を 用 い る ． 実 際 の 干 渉 度 合 い を 考 慮 す る と ， チ ャ ネ ル 差 4 で もほ とん ど干渉 が 起 こ ら な い と の 報 告 が あ る の で ， チ ャ ネ ル 1,5,9,13 と い う 組 み 合 わ せ も 有 効 で あ ろ う ． 一 方 ， 競 合 の 影 響 が 現 れ る よ う な 多 さ の 無 線 LAN 数 の場 合には ，敢えて ， 干 渉 の あ る チ ャ ネ ル を 用 い て ，競 合 の 影 響 を 緩 和 す る ． 競 合 の 影 響 を 緩 和 す る た め ， ア ク テ ィ ブ 端 末 数 ， ト ラ ヒ ッ ク 量 ， 伝 送 レ ー ト と い っ た ， コ リ ジ ョ ン の 発 生 率 に 寄 与 す る パ ラ メ ー タ を 考 慮 し て ， バ ラ ン ス 良 く ， チ ャ ネ ル に 割 り 当 て る こ と が 重 要 で あ る ． 詳 細 な 割 当 方 法 に つ い て は ， 今 後 の 課 題 で あ る ． 次 章 で は ，多 く の 無 線 LAN をチャ ネル に割 り当て る に 当 た っ て ， 競 合 と 干 渉 が ス ル ー プ ッ ト に 与 え る 影 響 を 実 機 に よ り 計 測 し た 結 果 を 報 告 す る ．5. 競 合 と 干 渉 の ス ル ー プ ッ ト 特 性
干 渉 と 競 合 の 影 響 を 調 べ る た め に ， ま ず は ， 競 合 お よ び 干 渉 の み の 影 響 を そ れ ぞ れ 調 査 す る ． 一 方 ， 市 販 の 無 線 機 器 を 用 い て ， 自 動 チ ャ ネ ル 選 択 (ACS)機 能 に チ ャ ネ ル 選 択 さ せ た 結 果 を 示 し ，そ の ACS があ る程度 の 競 合 と 干 渉 を 考 慮 し て い る が ， 最 適 で は な い こ と を 計 測 値 例 に 基 づ い て 示 す ．5.1. 実 機 実 験 モデル
実 験 に て 使 用 し た 機 材 や 設 定 に つ い て 説 明 す る ． 本 実 験 は ， 移 動 無 線 LAN シス テム を想 定して いる ため， AP に は ポ ー タ ブ ル ル ー タ (PLANEX MZK-MF300N)を 使 用 し た ． モ バ イ ル 環 境 で は ス マ ー ト フ ォ ン を 利 用 す る こ と が 多 く な っ て い る た め ， 送 信 端 末 に は Android 携 帯 端 末 (Nexus S, Galaxy S)を用い た．スル ープ ット測 定 に は ア プ リ ケ ー シ ョ ン Iperf を用 い，無線 LAN に は， 現 在 最 も 使 用 さ れ て い る IEEE802.11g を 用いた ． 以 下 に 実 験 機 器 の 構 成 を 示 す ． 1 つの 無 線 LAN は， AP と 1 台 の 携 帯 端 末 で 構 成 し た ．本 実 験 で は ，多 く の 無 線 LAN が 近接 する 場合 の 通信 品質 に与 える影 響の 大 き さ を 評 価 す る た め に ， AP を おお むね互 いに 50cm 以 内 の 距 離 に 充 分 近 接 さ せ た ．移 動 無 線 LAN を 利用す る 場 合 ，AP と AP に接 続す る端 末間の 距離 は比 較的近 い と 考 え ら れ る た め ，AP と 所属 する端 末間 の距 離も お お む ね 50cm 程 度にし た．AP の パラメ ータ 設定 は，チ ャ ネ ル 番 号 設 定 を ACS に し ，WMM(Wifi Multi Media)， IAPP(Inter Access Point Protocol) 等 の 特 殊 機 能 を 全 て 無 効 に し た ． 端 末 は ， WMM な どが無 効に なっ ている デ フ ォ ル ト の 設 定 で 用 い た ， ま た ， 暗 号 は 使 用 せ ず ， オ ー プ ン な 無 線 LAN 通 信を行 った ．本実 験は，通常の オ フ ィ ス に て 行 っ た た め ，ノ イ ズ や 他 の 無 線 LAN の影 響 が 多 少 は 含 ま れ る が ． Android アプ リ ケ ーシ ョ ンの Wifi Analyzer[10]な ど で の 計 測 で は ， 検 知 さ れ た 無 線 LAN は ，チ ャ ネ ル 4 を 使 用 し て い る 1 台 の み で あ っ た ． ま た ，該 無 線 LAN は，1 時 間に数 100 パケ ット 程度の 非 常 に 低 レ ー ト の ト ラ ヒ ッ ク で あ っ た た め ， ビ ー コ ン 以 外 の 干 渉 は ， ほ と ん ど 実 験 結 果 に 影 響 が 無 い と 考 え ら れ る ． こ の 環 境 に お い て ， 無 線 LAN 単独で Iperf で 計 測 し た UDP ス ル ー プ ッ ト ( 端 末 → AP 方 向 ) は ， 21Mbps で あ っ た ． こ こ で の ス ル ー プ ッ ト と は ， Iperf の 計 測 値 の こ と で あ り ， 実 際 に ど れ く ら い の 情 報 量 を 転 送 で き た か を 示 し て い る た め ，無 線 LAN の MAC フ レ ー ム の 再 送 な ど は 除 外 し た 数 値 で あ る ． こ の 計 測 値 は ， 文 献 [11][12] 等 の 実 験 結 果 と 比 較 し て も ， IEEE802.11g に お い て 通 常 観 測 さ れ る 数 値 で あ る た め ， に 実 験 系 以 外 の ノ イ ズ な ど の 問 題 は 軽 微 で あ る と 判 断 し た ．5.2. トータルスループット
チ ャ ネ ル 内 競 合 に よ る 性 能 低 下 に つ い て は ， 2 つ の 無 線 LAN が 競合 した 場合 の詳 細 結果 が文 献 [11][12]に も 述 べ ら れ て い る が ，よ り 多 数 の 無 線 LAN が競 合した 場 合 に つ い て 調 査 し た ．以 下 で は ，UDP 通 信を 行った 結 果 に つ い て 述 べ る ．図 3 は，1 セ ットの 無線 LAN を 1 チ ャ ネ ル で 通 信 さ せ た と き の ス ル ー プ ッ ト (a)と 18 セ ッ ト の 無 線 LAN で 1 チ ャネ ル (チ ャネル 1)を 共有し (図 2(a))，通 信 を 行 っ た と き の 18 セ ッ ト の ス ル ー プ ッ ト の 合 計 値 (b)であ る．18 セッ トの合 計が 1.27Mbps と い う 劣 悪 な 通 信 品 質 と な る こ と が 分 か っ た ． 単 独 の 無 線 LAN では ，21Mbps のス ルー プット が得 られ ること と 比 較 す る と ， チ ャ ネ ル 内 競 合 に よ る 品 質 劣 化 が 非 常 に 大 き い こ と が わ か っ た ． 次 に ， チ ャ ネ ル 間 干 渉 に よ る 性 能 低 下 に つ い て 調 査 し た ．図 4 は，13 セッ トの無線 LAN が各 チャ ネルを 1 つ ず つ 利 用 し (図 2(b))，通信 を行 った ときの 13 台のス ル ー プ ッ ト の 合 計 値 (b） で あ る． も し仮 に 干 渉が 無か っ た と し た と き に ，13 チャ ネル の合計 で得 られ るはず の 計 算 値 (21Mbps×13=273Mbps)を(a)に 示した ．その結 果 ， こ の 場 合 も 12.7Mbps とい う劣悪 な通 信品 質 に低 下 し て し ま う こ と が 分 か っ た ． チ ャ ネ ル 間 干 渉 が 通 信 品 質 に 与 え る 影 響 も 非 常 に 大 き く ， ス ル ー プ ッ ト が 大 き く 低 下 す る こ と が 分 か っ た ． ch2 ch3ch4ch5ch6ch7ch8ch9ch10ch11ch12ch13 ch1 x6 x6 x6 WLAN WLAN WLAN ch2 ch3ch4ch5ch6ch7ch8ch9ch10ch11ch12ch13 ch1 x2 x5 x2 x3 x6 WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN ch2 ch3ch4ch5ch6ch7ch8ch9ch10ch11ch12ch13 ch1 WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN … 18セット ch2 ch3ch4ch5ch6ch7ch8ch9ch10ch11ch12ch13 ch1 WLAN WLAN(a) 1つのチャネルを18セットのWLANで共有した場合 (b) 各チャネルに1つのWLANを割り当てた場合
(c) 自動チャネル選択させた場合 (d) 最適を目指したチャネル割当の一例 図 2 チ ャネル 割当 0 5 10 15 20 25 (a) 1chを1セットの WLANで使用 (b) 1chを18セットの WLANで共有 W L AN 1 8 セ ッ ト の ト ー タ ル ス ル ー プ ッ ト (M bps ) 図 3 チ ャネル 内競 合 0 50 100 150 200 250 300 (a) 1chを1セットの WLANで使用×13ch (b) 各chに1つずつ WLANを繋ぐ WL A N 13 セ ッ ト の ト ー タ ル ス ル ー プ ッ ト (Mb ps ) 図 4 チ ャネル 間干 渉
5.3. 自 動 チャネル選 択 のスループット評 価
AP が 自 動 チ ャ ネ ル 選 択 (ACS)を 行 っ た と き ，チ ャ ネ ル 内 競 合 と チ ャ ネ ル 間 干 渉 に つ い て ， ど れ く ら い 考 慮 し た チ ャ ネ ル 割 当 を 行 っ て い る の か を 検 証 す る た め ， 自 動 チ ャ ネ ル 選 択 時 の 無 線 LAN のト ータ ルスル ープ ッ ト を 計 測 す る こ と で 明 ら か に し た ． 自 動 チ ャ ネ ル 選 択 に お い て は ， 実 験 の 度 に 選 択 す る チ ャ ネ ル が 多 少 変 化 す る ． こ れ は ， チ ャ ネ ル 決 定 時 の 信 号 の 強 さ や 何 ら か の ラ ン ダ ム 性 を 入 れ て 決 定 し て い る た め と 推 測 し て い る ．従 っ て ，ACS の平 均的 なデー タ を 取 る た め ， 18 セット の無線 LAN の 自動選 択を 10 回 試 行 し ， 各 回 の ス ル ー プ ッ ト を 平 均 し た 数 値 を プ ロ ッ ト し て い る ．18 セッ トの 無線 LAN の各 AP を 順に起 動 さ せ て ， 全 て の AP が自 動で チャネ ル選 択を 行った 後 に ，端 末 を 通 信 さ せ た ．な お ，AP を 起動 させ た直後 に 端 末 か ら の 通 信 を 行 う と い う こ と を 各 AP 毎 に順に 行 う と い う 方 法 で も 試 し た が ， チ ャ ネ ル 選 択 結 果 も ス ル ー プ ッ ト 計 測 値 も ほ ぼ 同 じ で あ っ た ． こ の 実 験 に お い て ，ACS が選 択した チャ ネル の一例 を挙 げる と ，図 2 の (c)の よ う に (チ ャ ネ ル 1 の 無 線 LAN 数 ，チ ャ ネ ル 2 の 無 線 LAN 数，．．．， チャネ ル 13 の無線 LAN 数)＝ (2,0,0,0,0,5,0,2,0,0,3,0,6)で あ っ た ． 18 セ ッ ト の 無 線 LAN の ト ー タ ル ス ル ー プ ッ ト 計 測 値 を 図 5 の 左側に 示す ．ス ルー プッ トは ，12.8Mbps 程 度 で あ っ た ． 前 述 の よ う に ， 干 渉 が 発 生 す る チ ャ ネ ル を 選 択 し て い る こ と や ， 同 じ チ ャ ネ ル を 用 い る 無 線 LAN 数 に ば ら つ き が あ る こ と な ど に よ り ，チ ャ ネ ル 内 競 合 と チ ャ ネ ル 間 干 渉 に つ い て あ ま り 精 度 良 く 考 慮 し て い る と は 考 え に く い ． そ こ で ，こ の ACS より もス ループ ット が改 善され る で あ ろ う チ ャ ネ ル 割 当 ( 最 適 を 目 指 し た チ ャ ネ ル 割 当 と 呼 ぶ (図 2(d)))を考 え，実 際に スルー プッ トを 計測 し た ． こ の 最 適 を 目 指 し た チ ャ ネ ル 割 当 で は ， チ ャ ネ ル 間 干 渉 が 起 こ ら な い 組 み 合 わ せ で あ る チ ャ ネ ル 1,6,11 を 利 用 し ， チ ャ ネ ル 内 競 合 の 度 合 い を 同 じ に す る た め に 各 チ ャ ネ ル に 6 台ず つ無線 LAN を共 有させ た ．すな わ ち ， (6,0,0,0,0,6,0,0,0,0,6,0,0)である ．18 セッ トの無線 LAN の トータ ルス ルー プッ ト は， 13.6Mbps と，少 し で あ る が 向 上 し た ． こ れ ら の こ と か ら ， 自 動 チ ャ ネ ル 選 択 で は ， チ ャ ネ ル 内 競 合 と チ ャ ネ ル 間 干 渉 を 考 慮 し た チ ャ ネ ル 選 択 が で き て い な い こ と ， さ ら に 干 渉 を 避 け る だ け の 割 当 で は ， そ れ ほ ど の 性 能 向 上 が 得 ら れ な い と い う こ と が 判 明 し た ． 今 後 ， ス ル ー プ ッ ト の 最 大 化 に は ， チ ャ ネ ル 間 干 渉 と チ ャ ネ ル 内 競 合 の 影 響 も 同 時 に 考 慮 し た チ ャ ネ ル 割 当 の 具 体 的 方 法 の 検 討 が 必 要 で あ る ． 12.4 12.6 12.8 13 13.2 13.4 13.6 13.8 (a) 自動チャネル選択 (b) 最適を目指した 一例のチャネル割当 W LA N 1 8 セ ッ ト の ト ー タ ル の ス ル ー プ ッ ト (M bps ) 図 5 自 動チャ ネル 選択 及び 最 適を 目指 したチ ャネ ル 割 当 の ト ー タ ル ス ル ー プ ッ ト
6. お わ り に
多 く の 無 線 LAN が 近接 し，有限の チャ ネル を共有 せ ざ る を 得 な い 場 合 に ，無 線 LAN 全体で 高い 性能 を出す に は ， 適 当 な チ ャ ネ ル 割 当 が 必 須 で あ る ． 本 稿 で は ， 無 線 LAN 全 体の スル ープッ ト を 最大 にす る 最適 割当 に つ い て 議 論 し た ．最 適 割 当 の 基 本 方 針 は ，無 線 LAN が 少 な い 場 合 と 5GHz 帯を 用い る場合 とを 除き ，チャ ネ ル 間 の 干 渉 に 加 え て 同 一 チ ャ ネ ル 内 の 競 合 の 影 響 も 考 慮 し て 割 当 を 行 う こ と で あ る ． さ ら に ， 干 渉 ， 競 合 の メ カ ニ ズ ム を 分 析 す る こ と で ， 基 本 的 な 割 当 ル ー ル を 定 め た ． 特 に ， チ ャ ネ ル ご と の 利 用 度 合 い の 平 滑 化 を 計 る こ と が 重 要 で あ り ， こ の た め ， 端 末 の ト ラ ヒ ッ ク 特 性 ，AP 間 の距離 ，伝送 レー ト とい った 要因 を考慮 し て ， 割 り 当 て る べ き で あ る ． 実 際 の 干 渉 や 競 合 の 影 響 を 調 べ る た め に ， 市 販 の 実 機 を 用 い て 定 量 評 価 を 行 っ た ． 13 セ ット の無 線 LAN で の 干 渉 ， お よ び 18 セッ トの無 線 LAN で の競 合を評 価 し た 結 果 ，無 線 LAN 全体 のス ループ ット が そ れぞれ ， 12.7Mbps と 1.27Mbps と い う 極 め て 低 い 値 に な っ た ． 非 常 に 極 端 な 場 合 で は あ る が ，多 数 の 無 線 LAN を扱う 場 合 に は ， 干 渉 と 競 合 の 影 響 が 大 き く な る 危 険 性 が あ る こ と を 示 し た ． 次 に 実 機 の 自 動 チ ャ ネ ル 選 択 (ACS)機 能 が 選 択 し た チ ャ ネ ル 割 当 の 妥 当 性 を 評 価 し た ． 市 販 の AP の自動 モ ー ド (機 器 独 自 に 最 適 チ ャ ネ ル を サ ー チ )で は ， 全 体 を 見 渡 し た 最 適 化 が 困 難 で あ る た め ，無 線 LAN 群全体 の 最 適 化 は ， 計 れ な い こ と を 確 認 し た ． ま た ， 割 当 を 少 し 工 夫 す る こ と で ，ACS の場 合より も 性 能を 向上で き る こ と も 確 認 し た ． 今 後 は ， よ り 詳 細 な 評 価 と 具 体 的 な 割 当 方 法 を 検 討 し て い く ．謝 辞
本 研 究 は 一 部 ， 独 立 行 政 法 人 情 報 通 信 研 究 機 構 の 委 託 研 究 「 新 世 代 ネ ッ ト ワ ー ク を 支 え る ネ ッ ト ワ ー ク 仮 想 化 基 盤 技 術 の 研 究 開 発 ・ 課 題 ウ 新 世 代 ネ ッ ト ワ ー ク ア プ リ ケ ー シ ョ ン の 研 究 開 発 」 に よ る も の で あ る ． ま た 本 研 究 を 進 め る に あ た り 大 変 有 用 な ア ド バ イ ス を 頂 い た 神 戸 大 学 の 太 田 能 准 教 授 に 深 く 感 謝 致 し ま す ．文 献
[1] IEEE 802.11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, IEEE 802, June 2007.
[2] G.F. Marias, D. Skyrianoglou, L. Merakos, “A centralized approach to dynamic channel assignment in wireless ATM LANs,” IEEE INFOCOM ‘99, vol.2, pp.601-608 vol.2, 21-25 Mar 1999. [3] 松 村 祐 輝 , 熊 谷 慎 也 , 小 原 辰 徳 , 山 本 哲 矢 , 安 達 文 幸 , “無 線 LAN シ ス テ ム に お け る チ ャ ネ ル 棲 み 分 け に 基 づ く 動 的 チ ャ ネ ル 配 置 の 適 用 効 果 ,” 信 学 技 報 , vol. 112, no. 89, RCS2012-64, pp. 123-128, 2012 年 6 月. [4] 熊 谷 菜 津 美 ， 村 瀬 勉 ， 小 口 正 人 ， ”多 く の AP が 近 接 す る 場 合 の 通 信 品 質 評 価 ,” 信 学 技報 , NS 研 究 会 , NS2012-94, Oct. 2012. [5] Experimentation on interference, http://www.itmedia. co.jp/enterprise/articles/0810/28/ news006_2.html, as of 19 September 2012.
[6] Jihoon Choi, Kyubum Lee, Sae Rom Lee, Jay (Jongtae) Ihm, “Channel selection for IEEE 802.11 based wireless LANs using 2.4GHz band,” IEICE Electronics Express (ELEX), Vol. 8 (2011) No. 16 P 1275-1280, 2012.
[7] Default channel setting in WiFi access point,
http://compnetworking.about. com/od/wifihomenetwo
rking/qt/wifichannel.htm, as of 19 September 2012.
[8] Default channel setting in Netgear WiFi access point, http://documentation.netgear. com/dg834n/enu/202 -1 0197-02/Wireless.4.3.html, as of 19 September 2012. [9] Recommended channel setting in Netgear WiFi
access point,
http://documentation.netgear. com/reference/fra/wirel ess/WirelessNetworkingBasics -3-05.html, as of 19 September 2012.
[10] Wifi Analyzer,
https://play. google. com/store/apps/details?id=com. fa rproc. wifi.analyzer&hl=ja
[11] Remi Ando, Tutomu Murase, Masato Oguchi, “Characteristics of QoS-Guaranteed TCP on Real Mobile Terminal in Wireless LAN,” IEEE Sarnoff Symposium 2012, May 2012.
[12] 安 藤 玲 未 ,村 瀬 勉 ,小 口 正 人 , "無 線 LAN 環 境 に お け る モ バ イ ル ル ー タ ユ ー ザ 間 の 公 平 性 制 御 手 法 の 提 案 ," デ ー タ 工 学 と 情 報 マ ネ ジ メ ン ト に 関 す る フ ォ ー ラ ム (DEIM)2012, C2-1, Mar. 2012
