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A Measurement-Based Joint Power and Rate Controller for IEEE 802.11 Networks
Hühn, Thomas
Die weite Verbreitung heutiger IEEE 802.11 (WiFi) Systeme untermauert das große Potential dezentraler Funknetzwerke nahezu überall und zu jeder Zeit einen Internetzugang bereitstellen zu können. Jedoch besteht eine signifikante Differenz zwischen der theoretisch möglichen und derzeit erreichten Datenübertragungsleistung, wenn sich mehrere Benutzer gemeinsam einen Funkkanal teilen.
Eine der Hauptursachen liegt in der ineffizienten Ausnutzung des Frequenzspektrums begründet. Es fehlen praxisnahe Algorithmen zur dynamischen Ressourcenallokation, die geeignete Parameter, wie
z. B. Übertragungsrate und Sendeleistungeine an den aktuellen Zustand des drahtlosen Netzwerks an
passen. Gegenwärtige Verfahren zur Ressourcenallokation in WiFi Systemen sind von sehr einfacher Struktur und beschränken sich auf die Anpassung genau eines Parameters innerhalb der Funkübertragung. Übliche Praxis ist das Festsetzen einer statischen und vergleichsweise hohen Sendeleistung für alle zu übertragenden Datenpakete. Praktische Verfahren zur dynamischen und verteilten Sendeleistungsregelung auf der physikalischen Schicht (PHY-layer) des IEEE 802.11 Standards gibt es derzeit nicht. Gleichwohl versprechen solche Allokationsschemen, die pro Paket bzw. pro Kommunikationsverbindung gezielt Ressourcen zuweisen können, eine wesentliche Steigerung der Gesamtdatenrate innerhalb eines drahtlosen Netzwerks. Jedoch steigen mit ihnen typischerweise die Komplexität und auch der Informationsbedarf aus höheren Netzwerkschichten, wie beispielsweise der aktuelle Status des Medienzugriffs aus der Schicht zur Medienzugriffssteuerung (MAC-layer). Deshalb sind derartige Ansätze, trotz ihres in theoretischen Arbeiten belegten Potentials zur Leistungssteigerung, in praktischen WiFi Systemen weitgehend unerforscht.
Der Schwerpunkt dieser wissenschaftlichen Arbeit liegt auf der Analyse zur Realisierbarkeit und zur Leistungsfähigkeit einer gemeinsamen Regelung von Übertragungsrate und Sendeleistung pro Kommunikationsverbindung unter Verwendung realer IEEE 802.11 Hardware. Zu diesem Zweck haben wir das Linux mac80211 Subsystem erweitert, so dass eine schichtübergreifende (cross-layer) Kommunikation über die Sendeleistung pro Datenpaket zwischen PHY-layer und MAC-layer ermöglicht wird. Im nächsten Schritt haben wir analysiert, inwieweit die relevanten Regelungsparameter Übertragungsrate und Sendeleistung in unserem Forschungsnetzwerk “Berlin Open Wireless Lab (BOWL)” parametrisierbar sind und welche Wechselwirkungen zwischen ihnen bestehen. Auf der Grundlage unserer Atheros WiFi Hardware entwickelten wir das neues Monitoringtool “RegMon” für verschiedene Linux Kernel Treiber. Mit dessen Hilfe können wir die dynamischen Vorgänge auf dem PHY-layer, als auch auf dem MAC-layer der WLAN Netzwerkarte mit hoher zeitlichen Auflösung analysieren, auswerten und zur Fehlerdiagnose nutzen.
In der vorliegenden Arbeit haben wir den verteilten Algorithmus “Minstrel-Blues” zur dynamischen Ressourcenallokation von Übertragungsrate und Sendeleistung entwickelt und implementiert. Unser Algorithmus basiert auf der Auswertung lokaler Statistiken, die Paketerfolgswahrscheinlichkeiten aktiv getesteter Kombinationen aus Übertragungsrate und Sendeleistung beinhalten. Darüber hinaus werden keine zusätzlichen Informationen wie z.B. die Signalstärke der empfangenen Pakete oder Kanalzustandsbeschreibungen benötigt. Tatsächlich funktioniert Minstrel-Blues auf jeder beliebigen IEEE 802.11 Hardware, die eine Unterstützung zur Regelung der Übertragungsrate und Sendeleistung pro Datenpaket bietet. Unter Berechnung einer additiven Nutzenfunktion, die sich aus dem aktuellen Datendurchsatz und der notwendigen Sendeleistung pro unterstützter Datenrate zusammensetzt, entscheidet Minstrel-Blues welche Kombination aus Datenrate und Sendeleistung die höchste Präferenz erhält. Um die Auswirkungen des Zielkonflikts zwischen der Maximierung des Datendurchsatzes und der Minimierung der Interferenz im Funknetzwerk analysieren zu können, haben wir einen Gewichtungsfaktor in unsere Nutzenfunktion integriert.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein auf die Maximierung des Datendurchsatzes gewichteter Minstrel-Blues in der Lage ist, die für einen gleichbleibenden Datendurchsatz notwendig Sendeleistung, im Vergleich zur maximalen Sendeleistung, signifikant zu verringern. Diese spezielle Funktionsweise bezeichnen wir als “Minstrel-Piano”. Basierend auf unseren Experimenten in BOWL, konnten wir bei der Nutzung des 5 GHz ISM Frequenzbandes (IEEE 802.11a) belegen, dass Minstrel-Piano den Gesamtdurchsatz des Datenverkehrs im Funknetzwerk, aufgrund seiner effizienterer Nutzung des Frequenzspektrums, maßgeblich erhöht. Unsere Analyse endet mit experimentellen Untersuchungen zu unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren in einer typischen WiFI Umgebenung im Heimnetzwerk, bestehend aus zwei Laptops und einer WLAN Basisstation. Anhand dessen konnten wir zeigen, dass unsere dynamische Regelung von Datenrate und Sendeleistung auch im lizenzfreien 2,4 GHz Frequenzspektrum gut funktioniert. Mit steigender Dichte von WiFi Geräten und der kontinuierlichen Vergrößerung der genutzten Bandbreite, durch die aktuellen Standards IEEE 802.11 n und 802.11 ac, gehen wir davon aus, dass eine dynamische Ressourcenallokation eine Schlüsselrolle zur effizienten Nutzung des Spektrum bzw. zum Interferenzmanagement einnehmen wird. Zu diesem Zweck leistet diese Dissertations einen entscheidenden Beitrag zum theoretischen Verständnis und der praktischen Umsetzung einer dynamischen Regelung von Übertragungsrate, Sendeleistung und Carrier Sensing in IEEE 802.11 Systemen.
IEEE 802.11 (WiFi) networks are used to provide Internet access anywhere anytime. However, their performance is far below the achievable limits when multiple participants share the same frequency spectrum in an uncoordinated manner. The major reason behind such inefficiency is the lack of practical resource allocation algorithms that adapt well to the current conditions in a wireless network dynamically and select the appropriate transmission parameters such as transmission rates and power levels. Most current practical schemes are rather simplistic and only change a single transmission parameter. For instance, Transmit Power Control (TPC) works at the WiFi PHY layer and commonly assigns a static and rather high power level to all packets. A per-link or packet scheme is expected to provide better performance, but typically increases complexity and requires higher-layer information, such as medium access state from the Medium Access Control (MAC) layer. Therefore, although performance improvements have been shown in theory, these ideas are largely uninvestigated in practice.
In this thesis, our main goal is to understand the feasibility and performance impact of a joint and per-link rate and power controller in a real WiFi system. To this end, we first enabled cross-layer communication of transmission power between the WiFi PHY and MAC layers in the Linux mac80211 subsystem. Based on our Atheros WiFi hardware, we also developed the in-kernel monitoring tool ‘RegMon’ that enables understanding and troubleshooting MAC and PHY-layer operations with a finegrained time resolution across different Linux drivers.
We designed and implemented a distributed rate and power control algorithm, Minstrel-Blues, which does not rely on signal strength or channel state information, but uses local statistics from periodic sampling of different rate and power combinations. Essentially, Minstrel-Blues can run on any WiFi hardware that supports packet-level power and rate control capabilities. Minstrel Blues decides the datarate, and consequently, the minimum power-level to support the chosen rate using a two-attribute utility function based on the throughput and power consumption of all rates. To expose the trade-off between throughput and network interference, we also introduced a weight parameter for the utility function, which tunes the importance of throughput in utility decisions.
Our results show that if the goal is on maximizing the per-link throughput, Minstrel-Blues can significantly reduce transmission power necessary to communicate per link, while maintaining the same throughput achieved with maximum transmit power. We call this mode of operation - Minstrel-Piano. Based on experiments in BOWL, at 5Ghz, Minstrel-Piano shows significant overall throughput enhancements due to increasing spatial reuse. Our performance analysis concludes with experiments with different weight factors in a home network scenario, with 2-laptops and one access point. These experiments were run in the 2.4 GHz ISM band, and hence, they also show that our controller works well in an typical scenarios. As more and more WiFi Access Points are deployed and with upcoming IEEE 802.11 n and ac devices using wider channel widths, resource allocation is expected to become even more important to manage interference efficiently. To this end, our work significantly contributes to the understanding of rate, power and carrier-sense control in practice.
