[論文レビュー] Distributed CSMA/CA Algorithms for Achieving Maximum Throughput in Wireless Networks

Jian Ni, R. Srikant|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2009

Wireless Networks and Protocols被引用数 63

ひとこと要約

本稿では、データパケットの衝突を回避するために制御ミニスロットを用いた離散時間モデルを採用することで、最大スループットを達成する分散型CSMA/CAアルゴリズムを提案する。キュー長に基づいてリンク活性化確率を選択することにより、連続時間CSMAと同一の積型定常分布を実現し、やや弱い仮定の下でスループット最適性を達成する。

ABSTRACT

Recently, it has been shown that CSMA-type random access algorithms can achieve the maximum possible throughput in wireless ad hoc networks. Central to these results is a distributed randomized algorithm which selects schedules according to a product-form distribution. The product-form distribution is achieved by considering a continuous-time Markov model of an idealized CSMA protocol under which collisions cannot occur. In this paper, we present an algorithm which achieves the same productform distribution in a discrete-time setting where collisions of data packets are avoided through the exchange of control messages (however, the control messages are allowed to collide as in the 802.11 suite of protocols). In our discrete-time model, each time slot consists of a few control mini-slots followed by a data slot. It can be shown that even one control mini-slot is sufficient for our distributed scheduling algorithm to realize the same steady-state distribution as in the continuous-time case. Under some assumptions, the scheduling algorithm can be made throughput optimal by appropriately choosing the link activation probabilities as functions of the queue lengths. 1

研究の動機と目的

• 離散時間動作を想定した無線アドホックネットワークにおいて、最大スループットを達成する分散スケジューリングアルゴリズムの設計。
• 802.11プロトコルスイートと同様に、制御メッセージの衝突を許容しながら、データパケットの衝突を回避すること。
• 最小限の制御オーバーヘッドで、離散時間設定において連続時間CSMAの積型定常分布を再現すること。
• リンク活性化確率をキュー長に基づいて調整することで、アルゴリズムがスループット最適性を示す条件を確立すること。
• 単一の制御ミニスロットで十分であり、連続時間ケースと同等の性能を達成できることを示すこと。

提案手法

• ネットワークは離散時間スロットで動作し、各スロットは制御ミニスロットとその後に続くデータスロットに分割され、アクセスを調整する。
• ミニスロット内で制御メッセージが交換され、リンクスケジューリングを調整し、データパケットの衝突を防止する。
• アルゴリズムは、可能なスケジュール上での積型分布を誘導する確率的スケジューリングルールを用いる。
• リンク活性化確率は、現在のキュー長の関数として動的に調整され、スループットを最適化する。
• システムは、定常状態の挙動が連続時間CSMAモデルと一致する離散時間マルコフ連鎖としてモデル化される。
• 理論的分析により、適切な確率選択がなされれば、アルゴリズムが最大のネットワークスループットを達成できることを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散時間CSMA/CAアルゴリズムは、無線アドホックネットワークにおいて連続時間CSMAと同等のスループット性能を達成できるか？
• RQ2 離散時間設定で積型分布を維持するために必要な最小限の制御オーバーヘッドは何か？
• RQ3 リンク活性化確率をキュー長に応じてどのように適応させるか？これによりスループット最適性が保証されるか？
• RQ4 制御メッセージの衝突を許容しつつも、データパケットの衝突回避を保証することは可能か？
• RQ5 単一の制御ミニスロットで十分であり、連続時間CSMAモデルの定常状態挙動を再現できるか？

主な発見

• 提案された離散時間アルゴリズムは、連続時間CSMAモデルと同一の積型定常分布を達成し、最適なスケジューリング性能を保証する。
• 単一の制御ミニスロットでも、連続時間ケースと同等の定常分布を実現できる。
• リンク活性化確率をキュー長の関数として適切に選択することで、スループット最適性が達成される。
• 制御メッセージの交換によりデータパケットの衝突を回避するが、制御メッセージの衝突を許容するため、802.11プロトコル設計と整合する。
• 離散時間モデルにより実装が容易になる一方で、連続時間CSMAアプローチの理論的スループット最適性を保持する。