FLUID : Improving Throughputs in Enterprise WLANs through Flexible - PowerPoint PPT Presentation

FLUID : Improving Throughputs in Enterprise WLANs through Flexible Channelization Shravan Rayanchu , Vivek Shrivastava, Suman Banerjee Ranveer Chandra University of Wisconsin Madison Microsoft Research MobiCom ¡2011 ¡ WiNGS ¡Labs ¡ 1 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Introduction • Channels ¡in ¡tradiConal ¡802.11 ¡systems ¡ 22MHz ¡ Fixed ¡channel ¡widths ¡ 1 ¡ 6 ¡ 11 ¡ 2.412 ¡ 2.437 ¡ 2.462 ¡ pre-­‑defined ¡center ¡frequencies ¡ Frequency ¡(GHz) ¡ These ¡constraints ¡are ¡removed ¡for ¡ flexible ¡channels ¡ 2 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Introduction • Flexible ¡channels ¡ 5 ¡MHz ¡ 20 ¡MHz ¡ Flexible ¡channel ¡widths ¡ 40 ¡MHz ¡ Flexible ¡center ¡frequencies ¡ 2.430 ¡ 2.460 ¡ 2.405 ¡ Frequency ¡(GHz) ¡ Benefits : ¡improved ¡spectrum ¡efficiency ¡ Isolated, ¡good ¡quality ¡link : ¡wider ¡width ¡  ¡higher ¡throughput ¡ 3 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Internet ¡ Introduction • How ¡do ¡we ¡assign ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡flexible ¡channels? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Assign ¡widths ¡based ¡on ¡demands ¡at ¡each ¡AP ¡ • Link ¡conflicts ¡ depend ¡on ¡flexible ¡channels ¡used ¡ – Carrier ¡sensing, ¡interference ¡ – Hidden ¡and ¡exposed ¡terminals ¡ 4 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Internet ¡ Introduction • How ¡do ¡we ¡assign ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡flexible ¡channels? ¡ How ¡can ¡we ¡systemaCcally ¡model ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Assign ¡widths ¡based ¡on ¡demands ¡at ¡each ¡AP ¡ flexible ¡channel ¡conflicts? ¡ • Link ¡conflicts ¡ depend ¡on ¡flexible ¡channels ¡used ¡ – Carrier ¡sensing, ¡interference ¡ – Hidden ¡and ¡exposed ¡terminals ¡ 5 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Outline • Understanding ¡flexible ¡channel ¡conflicts ¡ • Modeling ¡flexible ¡channel ¡conflicts ¡ • System ¡for ¡enterprise ¡WLAN ¡employing ¡flexible ¡ channels ¡ • EvaluaCon ¡and ¡summary ¡ 6 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Flex Channels for Two Links Total ¡available ¡spectrum ¡= ¡40 ¡MHz ¡ ¡ Choice ¡1 ¡ Choice ¡2 ¡ 802.11 ¡links ¡ 40 ¡/ ¡40 ¡ 20 ¡/ ¡20 ¡ T ¡=0.4 ¡ T ¡=1 ¡ Q. ¡Can ¡20/20 ¡be ¡beCer ¡than ¡40/40? ¡ 7 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Flex Channels for Two Links • What ¡happens ¡when ¡we ¡reduce ¡width? ¡ X ¡+ ¡6 ¡dB ¡ Power ¡/ ¡Hz ¡ X ¡+ ¡3 ¡dB ¡ X ¡dB ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 20 ¡ Channel ¡Width ¡(MHz) ¡ 8 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Flex Channels for Two Links • What ¡happens ¡when ¡we ¡reduce ¡width? ¡ X ¡+ ¡6 ¡dB ¡ Doubling ¡width, ¡reduces ¡SNR ¡by ¡3 ¡dB ¡ Power ¡/ ¡Hz ¡ X ¡+ ¡3 ¡dB ¡ X ¡dB ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 20 ¡ Channel ¡Width ¡(MHz) ¡ 9 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Flex Channels for Two Links NOT ¡carrier ¡sensing! ¡ Carrier ¡Sensing ¡ 40 ¡/ ¡40 ¡ Hidden ¡Terminals! ¡ 20 ¡/ ¡20 ¡ T ¡=0.4 ¡ T ¡=1 ¡ 10 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Flex Channels for Two Links • If ¡a ¡total ¡of ¡40 ¡MHz ¡is ¡available, ¡how ¡should ¡we ¡ assign ¡it ¡to ¡two ¡links? ¡ – 2 ¡channel ¡widths ¡of ¡20 ¡MHz ¡and ¡40 ¡MHz ¡ 40 ¡/ ¡40 ¡ 40 ¡/ ¡20 ¡ 20-­‑20 ¡(POV) ¡ 20 ¡+ ¡20 ¡ 20 ¡/ ¡20 ¡ Each ¡configuraLon ¡performed ¡the ¡best ¡in ¡some ¡case ¡ 11 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

40 ¡/ ¡20 ¡ 20-­‑20 ¡(POV) ¡ 20 ¡+ ¡20 ¡ 40 ¡/ ¡40 ¡ 20 ¡/ ¡20 ¡ E1 ¡ T=1 ¡ T=1 ¡ T=1.2 ¡ T=2 ¡ T=1.5 ¡ E2 ¡ T=1.7 ¡ T=1 ¡ T=2 ¡ T=1.7 ¡ T=2.5 ¡ Conflicts ¡(Carrier ¡sensing ¡and ¡Interference) ¡ E3 ¡ depend ¡on ¡the ¡configuraCon ¡ T=2.5 ¡ T=1.3 ¡ T=1 ¡ T=2.5 ¡ T=1.8 ¡ E4 ¡ T=1 ¡ T=1 ¡ T=1.5 ¡ T=2 ¡ T=1 ¡ 12 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

What about multiple links? • Difference ¡in ¡power ¡levels ¡effects ¡ – Carrier ¡sensing ¡range ¡ Channel ¡Width ¡ 5 ¡MHz ¡ 10 ¡MHz ¡ 20 ¡MHz ¡ 40 ¡MHz ¡ Carrier ¡sense ¡ ¡ 28% ¡ 24% ¡ 19% ¡ 13% ¡ (% ¡links) ¡ Measurement ¡on ¡600 ¡link ¡pairs, ¡802.11a ¡ – Interference ¡range ¡ – Hidden ¡and ¡Exposed ¡Terminals ¡ 13 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

What about multiple links? • Difference ¡in ¡power ¡levels ¡effects ¡ – Carrier ¡sensing ¡range ¡ Channel ¡Width ¡ 5 ¡MHz ¡ 10 ¡MHz ¡ 20 ¡MHz ¡ 40 ¡MHz ¡ Carrier ¡sense ¡ ¡ 28% ¡ 24% ¡ 19% ¡ 13% ¡ (% ¡links) ¡ Need ¡for ¡systemaCcally ¡modeling ¡ ¡ Measurement ¡on ¡600 ¡link ¡pairs, ¡802.11a ¡ flexible ¡channel ¡conflicts ¡ – Interference ¡range ¡ – Hidden ¡and ¡Exposed ¡Terminals ¡ 14 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Problem Statement Given ¡ • Network ¡with ¡ N ¡ nodes ¡ • Total ¡Bandwidth ¡ B ¡MHz ¡ • Flexible ¡channels ¡ ¡ – Center ¡frequencies ¡ – Channel ¡widths ¡ 5 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 40 ¡MHZ ¡ B ¡MHZ ¡ 15 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Problem Statement Given ¡ • Network ¡with ¡ N ¡ nodes ¡ • Total ¡Bandwidth ¡ B ¡MHz ¡ • Flexible ¡channels ¡ ¡ How ¡should ¡we ¡assign ¡flexible ¡ – Center ¡frequencies ¡ channels ¡to ¡nodes? ¡ – Channel ¡widths ¡ 5 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 40 ¡MHZ ¡ B ¡MHZ ¡ 16 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Outline • Understanding ¡flexible ¡channel ¡conflicts ¡ • Modeling ¡flexible ¡channel ¡conflicts ¡ • System ¡for ¡enterprise ¡WLAN ¡employing ¡flexible ¡ channels ¡ • EvaluaCon ¡and ¡summary ¡ 17 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

How to build the conflict graph? • Goal : ¡for ¡any ¡given ¡link ¡and ¡interferer, ¡what ¡is ¡ the ¡expected ¡link ¡delivery ¡raCo? ¡ ¡ • Bandwidth ¡tests ¡ (Fixed ¡width ¡channels) ¡ AP2 ¡ AP1 ¡ 1. Measure ¡isolaCon ¡delivery ¡ C1 ¡ C2 ¡ 2. ¡ ¡ ¡ ¡Measure ¡delivery ¡under ¡interference ¡ Complexity: ¡ ¡ (naive) ¡ 2 k 2 ) O ( N (SINR ¡modeling) ¡ O ( Nk ) 18 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

How to build the conflict graph? (flexible ¡channels) ¡ 5 ¡MHZ ¡ 10 ¡MHZ ¡ 20 ¡MHZ ¡ 40 ¡MHZ ¡ Variety ¡of ¡configuraCons ¡are ¡possible ¡ Increased ¡complexity: ¡ ¡ 2 | w |2 2 k | w | + 1 ) k ¡data ¡rates, ¡| w | ¡widths ¡ O ( N 19 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

How to build the conflict graph? (flexible ¡channels) ¡ 5 ¡MHZ ¡ 10 ¡MHZ ¡ 20 ¡MHZ ¡ 40 ¡MHZ ¡ Variety ¡of ¡configuraCons ¡are ¡possible ¡ Reduce ¡this ¡to ¡O(N.k) ¡measurements ¡ Increased ¡complexity: ¡ ¡ 2 | w |2 2 k | w | + 1 ) k ¡data ¡rates, ¡| w | ¡widths ¡ O ( N 20 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Modeling Conflicts Expected ¡delivery ¡= ¡? ¡ Frequency ¡ 21 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Modeling Conflicts Delivery = f ( SINR ) ∑ ( ) − N SINR = S t ( w t ) − S i ( w i ) + 10log I f i Signal ¡strength ¡of ¡the ¡ Expected ¡delivery ¡= ¡? ¡ transmiCer ¡using ¡width ¡ W t ¡ Accounts ¡for ¡ ¡ spectral ¡overlaps ¡ Signal ¡strength ¡of ¡the ¡ interferer ¡using ¡width ¡ W i ¡ Frequency ¡ 22 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡

Modeling Conflicts 5 ¡MHz ¡Profile ¡ Delivery ¡Model ¡ All ¡nodes ¡are ¡at ¡5 ¡MHz ¡ O ( N ) Each ¡node ¡broadcasts ¡packets ¡ Rest ¡of ¡the ¡nodes ¡record ¡SNR ¡ and ¡loss ¡rates ¡ 23 ¡ Shravan ¡Rayanchu ¡/ ¡FLUID ¡/ ¡MobiCom ¡2011 ¡