NS-2 へのモジュール追加による WiMAX の性能評価
2010SE165 小倉 憂也

2010SE172 大中 隆太朗 2010SE192 柴田 晃希
指導教員： 河野 浩之

1はじめに2

先行研究

現在 UQ では，IEEE802.16e でデータ通信サービスを展開している．新たな国際規格とし，IEEE が従来の標準規格を IEEE802.16m として機能拡張を行い，WiMAX
System Profile Release2 (WiMAX2)という新しい次世代

本章では，2.1 節に WiMAX のフレーム構造，2.2 節にHARQ について説明する．

無線通信サービスが 2013 年 10 月 30 日より，日本で開始された．それぞれの規格の比較を表 1 に示す[1]．
本研究では，NS-2 への WiMAX モジュール導入と性

Mobile WiMAX で利用されている OFDMA では，複数の端末が基地局から同時にデータ受信が可能である．こめを示す．
表 1 IEEE802.16e と IEEE802.16m の規格比較
IEEE802.16e
IEEE802.16mWiMAX
WiMAX2TDD
TDD,FDD
複信方法
チャネルバンド幅 3.5,5,7,8.75,10MHz
Up to 60-120
移動性能km/h
Link-Layer
レイテンシ
Access:～20ms
Handoff:～35-50 ms

5,10,20,40MHzMIMO の構成

DL:2×2,2×4,4×2,4×4MIMO
UL:1×2,1×4,

受信範囲

DL:2×2MIMO
UL:1×2MIMO

1 / 5 / 30km

Up to 350km/h
Link-layer
Access:<10ms
Handoff:<30ms

2×2,2×4MIMO
1 / 5 / 30km
(Optimal at 5km)

D MAP

章では，WiMAX モジュールの導入方法，NS-2 の機能拡張について説明する．第 5 章に実験環境，シナリオ，シミュレーション結果，考察を示し，第 6 章に本研究のまとU MAP

FCHPreamble

得られるかを考察する．
第 2 章では，WiMAX のフレーム構造，HARQ (HybridARQ)について説明する．第 3 章では，NS-2 の改良，ARQ (Automatic Repeat-reQuest)について説明する．第 4

TDM と FDM を組み合わせ，サブチャネルとシンボルで構成されるリソースを単位とし，ユーザデータの多重化が行われる．上りはサブチャネルによる多重化が行われる．

Sub-channel

様々なシナリオを想定したシミュレーションを行う．その後，先行研究で扱った WiMAX2 の規格を基に，本研究で行った実験を，WiMAX2 に適用させると，どのような結果がの時，基地局から各端末に送られるダウンリンクバースト
は，図 1 に示すように時間領域と周波数領域の両方で互いに分割される．つまり各バーストがそれぞれ固有の時間スロットとサブチャンネルに割り当てられる．そして，Frequency

能評価を行う．NS-2 と WiMAX モジュールの取得，パッチファイルの適用，PATH 設定を行い，ハンドオーバー時の WiMAX の性能評価を行う．また，Base Station (BS)の配置や Mobilenode (MN)の速度を変更することで，2.1 WiMAX のフレーム構造

DL Burst#1

DL Burst#2
DL Burst#3
DL Burst#4
DL Burst#5
TimePreamble: 同期信号
FCH: Frame Control Header (フレームヘッダ制御)
D_MAP: Downlink MAP Messages (DL Burst 割当情報)
U_MAP: Uplink Map Messages (UL Burst 割当情報)
DL Burst #n: Downlink USER’s Burst
図 1 OFDMA ダウンリンクのサブフレーム

2.2 HARQ
ARQ では，再送により貴重な帯域を浪費することが問
題 で あ る ． そ こ で ， WiMAX2 に は ,ARQ を 改 良 し た
HARQ が採用されている[2]．HARQ は，誤りを含むパケットを全て廃棄せず，フィードフォワードエラー訂正という技術を組み合わせることにより，効率的にデータ修正を行う仕組みである．

3NS-2 への WiMAX モジュールの追加

本章では，3.1 節に NS-2 の改良，3.2 節に ARQ について説明を行う．

3.1 NS-2 と WiMAX モジュールのインストール

4.1 WiMAX モジュール

本研究では，WiMAX モジュール導入のための NS-2の改良と性能評価を行う．WiMAX モジュールの導入の本研究では，WiMAX Forum で公開されている The
WiMAX Forum System Level Simulator NS-2
MAC+PHY Add-On for WiMAX (IEEE 802.16)を用いる．
[2]このモジュールは，ネットワークシミュレータ NS-2 に基づ い て お り ， 無 線 MAN-OFDMA を ベ ー ス に し た
IEEE802.16-2009 の MAC 層の実装が行われている．

方法として，NS-2 と WiMAX モジュールの取得，パッチファイルの適用，NS-2 のインストール，PATH の設定を行い，NS-2 の機能拡張された事を確認する．その後，ハンドオーバー時における WiMAX の性能評価を行う．

3.2 ARQ のパケットフロー
ARQ は，無線通信で用いられている通信データにエラーが生じた際に修正を行う自動再送要求という技術である[2]．通常伝送されるデータに誤りが発生した場合，それを検出し，訂正するための情報が付加されている．しかし，悪条件の環境下における無線通信では修正できな
い程データが誤り，データが届かない場合がある．そのような場合に高信頼通信を行うためには，必要なデータを再送することが必要である．図 2 に，UL における ARQ のパケットフローを示す．
BS
Flow
Classifier

UL ARQ
ModuleDL ARQ/HARQ
ModulePacketParserDL Frame
Assembler

Rx PHY Module(RxHARQCombining)
Determine

Tx PHY
ModuleACK/NACKTx PHY
ModuleRxPHYModule(RxHARQ)
Combining)

UL Frame
Assembler

PacketParserDL ARQ
ModuleMSS

UL ARQ/HARQ
ModuleReq to send
ACK/NACK

FlowClassifier

4.2 WiMAX の拡張機能
本節では，NS-2 の改良のために WiMAX の拡張モジ
ュールを導入し，NS-2 の機能の拡張について説明を行う．
表 2 に WiMAX の拡張機能を示す．
表 2 WiMAX の拡張機能拡張された機能・OFDMA 物理層・時分割複信(TDD）
・IEEE802.16e の物理層の拡張
・フラグメンテーションおよびフレームの再構築
・QoS スケジューリング
・ARQ

4.3 WiMAX2 の拡張機能
本節では，WiMAX2 で拡張される機能について説明を行う．WiMAX2 の拡張機能を表 3 に示す．
表 3 WiMAX2 の拡張機能拡張された機能・周波数分割複信(FDD)
・HARQ
・MIMO
・データ伝送レートと VoIP の容量増加
・マルチ・キャリア(チャンネルアグリゲーション)
・低レイテンシ化による伝送品質の改善

5実験結果

本章では，ハンドオーバー時における WiMAX の性能評価実験を行う．5.1 節に実験環境，5.2 節にシミュレーシ
ョン結果，5.3 節に考察について説明する．

5.1 実験環境
NS-2 の拡張により作成した test-handover のプログラムを実行する．その際に，handover.tcl が実行され，生成されるデータを基に Packet delay，Time stamp のグラフを作成する．本研究で使用した PC のスペックを表 4 に示す．

図 2 UL における ARQ のパケットフロー
PC

4WiMAX モジュールの導入

本章では， 4.1 節に WiMAX モジュール，4.2 節にWiMAX の拡張機能，4.3 節に WiMAX2 の拡張機能について説明を行う．

OSCPUメモリ

表4 使用したPCのスペック
FMV-S8390
Ubuntu 8.04.4 LTS
Intel(R) Core(TM)2 Duo CPU P8700 @2,53GHZ 2,53GHz
2.0GB

5.2.2 MN が 15m/s で移動(シナリオ 2)
5.2 シミュレーション結果

シナリオ 2 では， シナリオ 1 から BS1，BS2 の配置をそれぞれ(100.0，50.0，0.0)，(1000.0，50.0，0.0)に変更した．実験結果を図 6，7 に示す．
1

シナリオ 1(マニュアルシナリオ)では，BS1，2 を(50.0，Delay(s)実験は，2 つの BS 間で MN が移動し，ハンドオーバー時の遅延とパケット ID を測定する．また MN の速度，BS配置を変更し，様々なシナリオでシミュレーションを行う．

50.0，0.0)，(800.0，50.0，0.0)，MN を(300.0，40.0，0.0)に設置する．シミュレーション開始 15.0 秒後，MN は 5m/sで(750.0，40.0，0.0)へ向かう．そして，100.0 秒後に同じ

0.1

5.2.1 MN が BS1,2 間を往復(シナリオ 1)

速度で MN は(100.0，40.0，0.0)に向かうよう設定する．シナリオを図 3 に示し，実験結果を図 4，5 に示す．
Y[m]
Z[m]
0.01
1000200Time(s)図 6 シナリオ 2 における遅延の変化
40040BS1BS2MN

X[m]
50300

750

Time sent +Time received×

Packet ID

50800200

図 3 シミュレーションシナリオ 1Delay(s)10100Time(s)200

図 7 シナリオ 2 における時間とパケット ID の推移

0.1

5.2.3 MN が 33m/s で移動(シナリオ 3)
シナリオ 3 では，シナリオ 1 から MN の移動速度を33m/s に変更した．実験結果のグラフを図 8，9 に示す．
10100Time(s)200

図 4 シナリオ 1 における遅延の変化
Packet ID

400
Time sent +Time received×

Delay(s)

0.01

0.1

200

0.01
0100Time(s)200

図 8 シナリオ 3 における遅延の変化
0100Time(s) 200

図 5 シナリオ 1 における時間とパケット ID の推移

400

関しては，それぞれ約 90~100 秒と約 165~170 秒で，約Packet ID

Time sent +Time received×

160~170 と約 300～305 の Packet ID が切断された．
シナリオ 1 とシナリオ 2 を比較すると，シナリオ 2 では
MN は BS1，2 からより遠距離で往復しているため，ハンド

200

0100

Time(s)200

図 9 シナリオ 3 における時間とパケット ID の推移

5.2.4 MN が 95m/s で移動(シナリオ 4)
シナリオ 4 では，シナリオ 1 から MN の移動速度を95m/s に変更した．実験結果のグラフを図 10，11 に示す．
1オーバーに要する時間が増加したと考えられる．
シナリオ 3 では遅延に関して，約 40 秒でハンドオーバーが発生し，Delay が増加した．また，Packet ID に関しては，約 30~40 秒で約 40~50 の Packet ID が切断された．
シナリオ 4 では，遅延に関して，約 20 秒でハンドオーバーが発生し，Delay が増加した．また，Packet ID に関しては，約 20~30 秒で約 20~30 の Packet ID が切断された．
シナリオ 1 とシナリオ 3，4 を比較すると，MN の速度を増加させたシナリオ 3，4 では移動速度が増加するほど，ハンドオーバーが発生する時間は早く，遅延時間が大きく増加している事が分かる．また，切断される Packet ID の値は減少した．
handover.tcl プログラムの移動速度などを変更し，ARQDelay(s)の HARQ への書き換えるなどを行う事で，WiMAX2 の性能評価が可能となる．ハンドオーバーによって費やされる時間は減少する事が予想される．その結果，遅延時間は現象する．しかしながら，WiMAX の速度が 40Mbps に対0.1して，WiMAX2 の速度が 110Mbps であることから，切断される Packet ID の数は増加すると考えられる．

60.01 0100Time(s)200

図 10 シナリオ 4 における遅延の変化
400

Packet ID

Time sent +Time received×

まとめ

本研究では，WiMAX モジュール導入のための NS-2の改良と性能評価を行った．NS-2 の改良方法として，
NS-2 と WiMAX モジュールの取得，パッチファイルの適用，PATH の設定を行い，NS2 の機能拡張を行った．その後，ハンドオーバー時における WiMAX の性能評価を行った．シミュレーションでは，2 つの BS 間で MN が移動し，その際に生じるハンドオーバーの遅延とパケット ID の推移に関する実験を行った．BS の配置や MN の移動速度を変更する事によって，様々なシナリオを想定したシミ

200

0100Time(s)200

図 11 シナリオ 4 における遅延の変化ュレーションを行った．WiMAX2 で同様のシミュレーションを行った場合，ハンドオーバーにかかる時間と遅延が短縮，切断される Packet ID の数は増加すると考えられる．

参考文献
[1]

5.3 考察実験結果より，シナリオ 1 では遅延に関して，約 83 秒でハンドオーバーが発生し，Delay が増加した．また，Packet ID に関しては，約 85~100 秒の間で約 150~170 のPacket ID が切断された．
シナリオ 2 では，遅延に関して，約 90 秒でハンドオーバーが発生し，Delay が増加した後，約 165 秒で再びハンドオーバーが発生し，Delay は減少した．Packet ID に

Jha Rakesh, Wankhede Vishal A. and Upena Dalal:“A Survey of Mobile WiMAX IEEE 802.16m
Standard,” (IJCSIS) International Journal ofComputer Science and Information Security, Vol. 8,
No. 1, pp.125-131, (2010)[2] The WiMAX Forum System Level Simulator，“http://code.google.com/p/ns2-wimax-awg/,”参照(2013-11-25)