Dynamic Channel Assignment based on Channel Segregation for a Wireless Lan System

In frequency reusing wireless networks, as the number of transmitters increases, the co-channel interference (CCI) gets stronger; therefore, the user throughput reduces if the available channels are not properly re-allocated. In the wireless local area network (LAN), a newly joining access point (AP) is designed to select the best channel which experiences the lowest CCI (this is called the conventional channel assignment scheme). However, old APs’ channels are not anymore optimal since the CCI environment has been changed after the new AP joined the network. If each AP monitors its CCI environment repeatedly and re-selects a channel according to changes in the CCI environment, all the APs can use always the best channels having the lowest CCI. This is called the dynamic channel assignment (DCA). In this paper, we study the channel segregation based DCA (CS-DCA) and apply it to the wireless LAN system. We introduce three indicators: the channel pattern autocorrelation indicating the degree of stability, the deviation of the channel usage, and the minimum co-channel AP distance, in order to examine the channel assignment patterns obtained by CS-DCA. We will perform the CS-DCA by computer simulation and demonstrate that the CS-DCA can autonomously form a channel assignment pattern which minimizes the CCI at each AP and that the CS-DCA improves the signal-to-interference-ratio (SIR) compared to the conventional scheme. Keyword Channel segregation, dynamic channel assignment, co-channel interference, wireless LAN 1. はじめに 超高速サービス提供を目的として,無線 LAN への期 待が高くなってきている.無線 LAN システムでは,広 いサービスエリアを隙間なくカバーするように,有線 ネットワークと接続された複数の無線アクセスポイン ト (AP)がそれぞれ無線セルを形成している.各無線セ ル内に存在する複数端末 (STA)は同一の無線チャネル を用いて AP にアクセスしている.利用可能な無線帯 域幅は制限されている.限られたチャネル数で広いエ リアをカバーしなければならないため,同一チャネル を近くの AP で再利用しなければならず,同一チャネ ル間干渉 (CCI)が発生する. 無線 LAN システムのアクセス方式は衝突回避機能 付きキャリア感知多重アクセス方式 (CSMA/CA)[1]で ある.CSMA/CA では,送信を行おうとする無線端末 は,他の無線端末がそのチャネルを使用しているかど うかを受信電力測定により検出する.受信電力が所定 の閾値以上であった場合には他の無線端末がそのチャ ネルを使用中であると判断し,衝突防止のため送信を 延期する.そのため,AP が密集する商業施設や集合住 宅などでは隣接セルからの CCI によりスループットが 大幅に劣化するという問題が生じる. そこで,AP が起動時に受信信号強度 (RSSI)を用いて CCI 最小のチャネルを選択する手法 (従来法と呼ぶ )が よく知られている.しかし,従来法では,古い AP が 選択したチャネルは過去の周辺環境の観測結果に基づ いて選択したチャネルであるから,現時点では CCI 最 小とはならないという問題がある. そこで,各無線基地局が周辺環境の変化に伴う CCI の変化を観測によって捉えて,使用するチャネルを再 選択できれば,全 AP が起動時間の違いに関わらず常 に CCI 最小にするようなチャネルを利用できる.全 AP の CCI 観測結果を一か所に集めてチャネル割当を 行なう集中制御型動的チャネル配置 (DCA)[2]では,割 当処理が膨大となり実用的でない.各 AP が自分の CCI 測定結果をもとに利用チャネルを決定するのが自律分 散型 DCA[3]-[5]である. 自律分散型 DCA の代表例はチャネル棲み分け [4],[5] に基づく DCA(CS-DCA)である.CS-DCA では,各 AP がチャネル優先度を表すテーブルを保持し,一定時間 ごとに CCI 観測を行ってチャネル優先テーブルを更新 する.チャネル優先度の高いチャネルを選択するため, 自律分散型のチャネル配置でありながら,周辺環境の 変化に適応するように常に CCI 最小のチャネルを利用 できる.文献 [5]の CS-DCA では,忘却係数を用いる一 次フィルタリングにより,各チャネルの平均 CCI 電力 を求め,優先度テーブルに相当する CCI テーブルを作 成する.割り当て時にはこの CCI テーブルを参照し, 平均 CCI 電力の最も小さいチャネルを割り当てる. 本稿では,無線 LAN システムへの CS-DCA の適用 について検討している.CS-DCA は文献 [5]で示される 手法を用いる.各 AP は 1 つの STA と通信する環境を 想定する.AP は CCI 電力を測定し,CS-DCA により自 律的に使用チャネルを決定する.CS-DCA の CCI 低減 効果の定量的評価のために,チャネル配置の安定度を 表すチャネル配置パターンの自己相関,使用チャネル の偏り,同一チャネル AP 間最小距離を導入している. 本稿の構成は以下の通りである.まず,第 2 章で CS-DCA の動作原理について述べた後,第 3 章で送受 信信号の数式表現を述べる.第 4 章でチャネル配置の 評価指標について述べる.第 5 章で計算機シミュレー ション結果を示し,信号対干渉電力比 (SIR)の累積分布 関 数 (CDF) を 用 い て , 従 来 法 と 比 較 す る こ と で , CS-DCA の CCI の低減効果を明らかにする.また, CS-DCA は CCI を低減するチャネル配置を自律的に形 成できることを明らかにする.第 6 章でまとめる. 2. CS-DCA 本章では各 AP が平均 CCI 電力を測定し,それを基 に自律的にチャネル配置を行う,CS-DCA の動作原理 について述べる.CS-DCA のフローチャートを図 1 に 示す.CS-DCA では,各 AP がそれぞれ STA の 1 ブロ ックの送信間隔 (タイムスロット )ごとに他セルからの 平均 CCI 電力を計算し,CCI テーブルを作成する.タ イムスロットごとに,CCI テーブルを参照して平均 CCI 電力の最も小さいチャネルを配置する.セル内の 端末は AP からのビーコン信号により,チャネルが変 更されたことを知る.次のタイムスロットでは変更さ れたチャネルを用いて AP に信号を送信する.この方 法により,与干渉の増大を抑えつつ動的にチャネル配 置を更新できるため,通信品質の向上が期待できる. 以下で CCI テーブルの作成法とチャネル配置について 述べる. 図 1 CS-DCA のフローチャート 2.1. CCI テーブルの作成法とチャネル配置 各 AP では,予め他セルからの平均 CCI 電力を測定 し,CCI テーブルに保存する.本稿では,平均 CCI 電 力の測定に,忘却係数を用いる一次フィルタを用いる [5].第 mAP の,第 t タイムスロットにおける第 ch チ ャネルの平均 CCI 電力 ) ( , t I ch m は次式で与えられる. ) 1 ( β ) ( ) β 1 ( ) ( , , , − ⋅ + ⋅ − = t I t I t I ch m ch m ch m (1) ここで Im ,ch(t)は第 t タイムスロットにおいて受信した 瞬時 CCI 電力である.β( 1 β 0 ≤ ≤ )は一次フィルタにお ける忘却係数を表している.一次フィルタの模式図を 図 2 に示す.このフィルタにより,棲み分け開始以降 の CCI 電力がフィルタリングされる.ただし,x タイ ムスロット前の CCI 電力は β (1-β)倍される.このた め,β が 0 に近いほど直前の CCI の影響を大きく受け るため CCI 変化に対する追従性は向上する.しかし, この場合,CCI の瞬時的変動の影響を大きく反映する ため適切なチャネル配置が形成されない可能性がある. 各チャネルにおける平均 CCI 電力 ) ( , t I ch m を CCI テーブ ルに格納し,通信要求が発生したらテーブルを参照し て次の式で示すようなチャネル配置を行う. 1 ~ 0 )}, ( { min arg , − = = ch ch m ch use N ch t I ch (2) CCI measurement CCI table updating START