多数の近接する無線 LAN における通信特性及び制御方法の提案と評価
理学専攻・情報科学コース

1

はじめに

近年，テザリングやモバイルルータの普及により個人用のポータブルな移動無線 LAN(WLAN) が増加している．多くの WLAN をカフェや会議場など狭い領域内で使用すると，WLAN 同士の電波が非常に多く重なってしまう事で，WLAN 同士が多大な干渉を及ぼし合い，全ての WLAN のトータルスループットの低下が懸念される．また，従来はアクセスポイント (AP) が天井や壁などに固定された状態で使用するのが一般的であったが，移動 WLAN の普及により AP と端末が非常に近接した状態のまま使用されるようになった．これらの事より，従来とは異なる影響を考慮し，調査する必要がある．性能がどの程度低下するのかといった定量的な特性やそのメカニズム，低下を軽減するための方策については明らかではなかった．
本研究では，このような状況での特性評価と性能向上を課題と設定し，実機実験やシミュレーション等を通して，次のようなことを明らかにした．
まず，無線 LAN 数の増加に対するスループット特性は，信号とノイズ比で効果の度合いが決まるキャプチャエフェ
クト (CE) の大小によって決定する事を，実機評価と数値計算にて明らかにした．全ての WLAN が自動レートである
場合には，Performance Anomaly(PA) が性能劣化の主要因である事を明らかにし，対策として伝送レートを固定する制御とトラヒック量を制限する制御を提案，実機評価し有効性を示した．
また，多くの WLAN が密集する場合には，WLAN 間距離や AP-送信端末間距離といった異なる属性値の WLANが混在する事が予想される．その場合には，属性値によって変化する CE の大小が混在する．性能が向上するか低下するかは，属性値の値によって大きく変化する．そこで本稿では CE の強弱に特に大きな影響を与える，WLAN 間距離が異なる場合，AP-端末間距離が異なる場合，WLAN 当たりの送信端末数が異なる場合の，3 つの属性値に着目し，属性値に起因する CE の影響を定量的に評価し，スループット特性を明らかにした．

2CE が性能に与える影響

2.1

移動型 WLAN を想定した場合の CE

多数の WLAN が近接して存在する場合においては，近隣，あるいは同一チャネルを使用せざるを得なくなり，全ての WLAN のトータルスループットなどの性能劣化が避けられなくなる．しかし，CE の影響がこれまで以上に強くなるので WLAN 毎に並列転送が可能となり，性能が向上する可能性がある．従来の固定型 AP は壁などに固定された状態で使用されているため，CE での並列転送のチャンスは少ない．一方，移動型 WLAN は AP と端末が近接した状態で使用される．そのため，WLAN 内の信号と WLAN 外からもたらされるノイズの差が大きくなる．つまり，CE の働きが大きくなる．フレームが衝突した場合（コリジョンが発生した場合）における CE の結果について，主に３通りの磯村 美友場合がある．(1)1 つの受信端末（あるいは AP）が 2 つの端末から同じ位の受信電力でフレームを受信し，コリジョンを起こした場合，両方のフレームがエラーになる可能性が高い．(2)1 つの受信端末が 2 つの端末から受信電力の異なるフレームを受信しコリジョンを起こした場合，片方のフレームは受信に成功するが，もう片方のフレームはエラーになる可能性が高い．これらの 2 つの場合，エラーが原因でバックオフや再送，伝送レートの低下が引き起こされる．
(3)2 つ以上の受信端末が，それぞれ 2 つ以上の信号を受け取り，ノイズよりも信号のほうがある程度以上大きい場合，コリジョンが起こったとしても，複数の受信端末は，共に受信に成功する．AP と端末が近接している構成の WLAN の場合においては，(3) のように並列転送に成功する現象が起こりやすい．

2.2

異なる属性値の WLAN における CE の大小全ての WLAN において属性値が同一の場合，WLAN 毎に CE の強さは同一である．しかし異なる属性値の WLANが存在した場合においては，WLAN 毎に属性値により CEの大小が異なり，そういった WLAN が密集する．故に，性能が向上するか低下するかは属性値によって決まる．
WLAN 間距離が異なるものが混在した場合 (WLAN 間距離の短い WLAN と長い WLAN が近接する場合) には，WLAN 間距離の短い WLAN は，他の WLAN からのノイズが強く届くことから SINR が小さくなり CE が低下する．
AP-送信端末間距離が異なるものが混在した場合 (AP-端末間距離の近い WLAN と遠い WLAN が近接する場合) には，AP-端末間距離の遠い WLAN は，自 WLAN における受信信号が距離と共に減衰することから SINR が悪化しCE が低下する．
WLAN 当たりの端末数が異なる場合 (1 つの AP に多数の送信端末が接続されている場合と少数の送信端末が接続されている場合) においては，多数の送信端末が接続されている WLAN は，同一 WLAN 内で同時に送信する確率が高く，その場合は前節の (1) のケースに該当するため，スループットは低くなる．

3

異なる属性値の WLAN が密集する場合の通信特性評価

属性値が均質 (ホモ) な場合と，平均はホモと同じであるが異なった (ヘテロ) 値を持つ 2 つのグループに分かれている場合とを同じ数の WLAN で比較し，シミュレーションおよび実機実験にて特性を明らかにした．

3.1

WLAN 間距離が異なる場合

ここでは，WLAN 間距離が異なる WLAN が存在する場
合において，CE の強弱がどの程度性能に影響をもたらすのか，WLAN 間距離が異なる度合 (ヘテロ度合) と性能劣化の関係に着目し通信特性を明らかにした．
図 1 にホモとヘテロに関して，シミュレーションと実機を比較したスループット値を示し，図 2 にヘテロ度合とスループットの関係をシミュレーションで示す．AP と送信端末それぞれ 1 台で 1 組の WLAN を構成し，AP と送信端末の距離は 5cm に設置した．この WLAN を 16 組用意し，ホモとヘテロの比較については，16 組全ての WLAN間距離が 80cm の場合 (ホモ) と，8 組は 20cm，もう 8 組は 140cm の場合 (ヘテロ) のトータルスループットを比較した．さらに，ヘテロ度合については，WLAN 間距離の値を平均 80cm になるように WLAN 間距離を変化させた．
図 1 で，概ねシミュレーション評価と同じ値を得られたことから，シミュレーション評価値は妥当であると判断した．図 2 では，ヘテロ度合が大きくなっても性能が高々 6．
7% しか違わなかった．x 軸の値が右に行けば行く程ヘテロ度合が大きい事を表している．70,90cm に 8 組ずつ存在する地点までは，ホモよりも WLAN 間距離が長くなったヘテロの WLAN の CE の効果が大きく性能が向上するが，それ以上ヘテロ度合が大きくなると，ホモよりも WLAN 間距離が短くなったヘテロの WLAN の CE が低減し全体の性能下げる．
尚，80cm という距離は，距離に応じた CE の影響が大きく変化するポイントでの評価となる．よって，この距離は，CE の強弱が性能に与える影響が最も顕著に表れる箇所である．

図 1: ホモとヘテロの比較

3.2

図 2: ヘテロ度合と性能特性

AP-端末間距離が異なる場合

ここでは，WLAN 間距離が異なる WLAN が存在する場
合において，CE の強弱がどの程度性能に影響をもたらすのか，AP-端末間距離が異なる度合 (ヘテロ度合) と性能劣化の関係に着目し通信特性を明らかにした．
図 3 にホモとヘテロに関して，シミュレーションと実機を比較したスループット値を示し，図 4 にヘテロ度合とスループットの関係をシミュレーションで示す．AP と送信端末それぞれ 1 台で 1 組の WLAN を構成し，WLAN 間の距離は 1m に設置した．ホモとヘテロの比較は，全ての AP端末間距離が 30cm の場合 (ホモ) と，8 組は 55cm，もう 8組は 5cm の場合 (ヘテロ) のトータルスループットを比較した．さらに，ヘテロ度合については，AP-端末間距離の値を平均 30cm になるように WLAN 間距離を変化させた．
図 3 で，概ねシミュレーション評価と同じ値を得られた事から，シミュレーション評価値は妥当であると判断した．図4 では，ヘテロ度合によっては性能が 27.4% も向上することを明らかにした．x 軸の値が右に行けば行く程ヘテロ度合が大きい事を表している．AP-端末間距離が 8 組は 25cm，
もう 8 組は 35cm の地点までは AP-端末間距離が長くなったヘテロの WLAN が CE の低減により性能を劣化させる影響が強く、それ以降へテロ度合いが大きくなると，AP-端末間距離が短い WLAN が，距離が長いヘテロの WLAN のBO 時間分，送信機会を多く獲得し，性能が向上する．
尚，AP-端末間距離が平均 30cm というのは，WLAN 間距離 100cm に対して CE が効果を発揮出来るか否かのポイントである．平均 30cm 範囲内で変化させることは，CE が性能に与える影響が顕著に現れやすい個所である．

図 3: ホモとヘテロの比較

3.3

図 4: ヘテロ度合と性能特性

WLAN 当たりの送信端末数が異なる場合

ここでは，WLAN 当たりの端末数が異なる場合において，CE の強弱がどの程度性能に影響を齎すのか，WLAN当たりの端末数が異なる度合 (ヘテロ度合) と性能劣化の関係に着目し通信特性を明らかにした．
図 5 にホモとヘテロに関して，シミュレーションと実機を比較したスループット値を示し，図 6 にヘテロ度合とスループットの関係をシミュレーションで示す．AP と送信端末の距離は 5cm，WLAN 間の距離は 1m に設置した．ホモとヘテロの比較は，WLAN 当たりの端末数が 4 台で構成される WLAN が 4 組存在する場合 (ホモ) と，WLAN 当たりの端末数が 1，7 台で構成される WLAN が 2 組ずつ存在する場合 (ヘテロ) のトータルスループットを比較した．更に，ヘテロ度合については合計端末数を変化させることなく，4 組の WLAN に端末を割当てるよう変化させた．
図 5 で，概ねシミュレーション評価と同じ値を得られたことから，シミュレーション評価値は妥当であると判断した．図 6 では，ホモにすることで性能が最大約 33.2% も向上することを明らかにした．x 軸の値が右に行けば行くほど，ヘテロ度合が大きい事を表している．WLAN 当たりの端末数が 2,6 台の WLAN が 2 組ずつ存在する場合までは，ホモよりも端末数の増えたヘテロの WLAN がコリジョンエラーでスループットを低下させる影響の方が強く，それ以降ヘテロ度合が大きくなると端末数の減った WLAN がCE でスループットを稼ぐ影響の方が強くなる．

図 5: ホモとヘテロの比較

4

図 6: ヘテロ度合と性能特性

おわりに端末数など属性値が異なる WLAN が密集する場合の，属性値に起因する CE の影響とスループット特性を明らかにした．今回は，WLAN 間距離が異なる場合，AP-端末間距
離が異なる場合，WLAN 当たりの送信端末数が異なる場合の 3 つの属性値に着目した．
WLAN 間距離が異なる場合における性能特性は，ヘテロ度合が大きくなっても性能が高々 6.7% しか違わなかった．
AP-端末間距離が異なる場合には，ヘテロ度合によっては性能が 27.4% も向上することを明らかにした．WLAN 当たりの送信端末数が異なる場合には，ホモにすることで性能が最大約 33.2% も向上することを明らかにした．
属性値の中で，WLAN 当たりの送信端末数は，全体性能に与える影響が特に大きいことが分かった．