[論文レビュー] Fair Airtime Allocation for Content Dissemination in WiFi-Direct-Based Mobile Social Networks

Zhifei Mao, Yuming Jiang|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2017

Cooperative Communication and Network Coding被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、一般化ネッシュ交渉ゲームを用いて、Wi-Fi Directに基づくモバイルソーシャルネットワークにおけるコンテンツ配信の公平な空き時間割り当てを実現するための新規手法を提案する。この手法は、ノード間の協力と非対称な貢献をモデル化し、低複雑性のアルゴリズムと時分割スケジューリングプロトコルを用いて、一意の最適解を達成する。

ABSTRACT

The vast penetration of smart mobile devices provides a unique opportunity to make mobile social networking pervasive by leveraging the feature of short-range wireless communication technologies (e.g. WiFi Direct). In this paper, we study local content dissemination in WiFi-Direct-based mobile social networks (MSNs). We propose a simple GO-coordinated dissemination strategy, as WiFi Direct does not originally support content dissemination. Due to mobility and the short transmission range, the duration of nodes in contact tends to be limited and consequently they compete for the limited airtime to disseminate their own data. Therefore, fair allocation of the limited airtime among the nodes is required. We focus on fairness in content dissemination rate, which is a key application-layer metric, rather than fairness in throughput or airtime and formulate the allocation problem as a generalized Nash bargaining game wherein the nodes bargain for a share of the limited airtime. The game is proved to have a unique optimal solution, and an algorithm with low complexity is designed to find the optimal solution. Furthermore, we propose a detailed scheduling approach to implement the optimal solution. We also present numerical results to evaluate the Nash bargaining based allocation and scheduling.

研究の動機と目的

• 短い接触時間とノードの移動性に起因する、Wi-Fi Directに基づくモバイルソーシャルネットワークにおけるモバイルノード間の公平な空き時間割り当ての課題に対処すること。
• スループットや空き時間ではなく、アプリケーション層の主要指標たる配信レートに基づいて、コンテンツ配信の公平性をモデル化すること。
• 特に、他のノードのデータを中継する役割を果たすグループオーナー（GO）が、より高いリソースコストを負担することを考慮すること。
• 公平性を保証するとともに、コンテンツ配信における社会的福祉を最大化するゲーム理論的ソリューションを設計すること。
• 効率的でラウンドロビン方式のデータ送信を可能にする時分割スケジューリングメカニズムを用いて、最適な割り当てを実装すること。

提案手法

• 著者らは、空き時間割り当て問題を一般化ネッシュ交渉ゲームとしてモデル化し、ノードが制限された空き時間の一部を交渉することで、コンテンツ配信レートの公平性を最大化することを目的とする。
• ゲームは、ノード個々の制約（例：データ量、伝送レート）とGOのデータ中継役割を組み込み、非対称な貢献を反映する。
• 重要な方程式（15）は、逆ラティンシ関数と累積時間制約を含む方程式系の解として最適割り当てを定義する。
• 解は、再帰的アルゴリズム（式4）を用いて一意的かつ計算可能であることが証明されており、残りの利用可能な空き時間に基づいて各ノードの割り当て時間を段階的に計算する。
• 最適割り当てを実装するための時分割スケジューリングプロトコルが設計され、時間は小さなスロットに分割され、ラウンドロビン伝送を可能にすることで公平性を確保する。
• アルゴリズムは低計算複雑性であることが示されており、処理能力に制限のあるモバイルデバイスへのリアルタイム導入に適している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 接触時間が短くノードの役割が非対称であるWi-Fi Directに基づくモバイルソーシャルネットワークにおいて、どのようにして公平な空き時間割り当てを達成できるか。
• RQ2 スループットや空き時間ではなく、コンテンツ配信レートに基づいた公平性を効果的にモデル化するゲーム理論的フレームワークは何か。
• RQ3 一般化ネッシュ交渉ゲームは、GOのリソース負担の増加を考慮した場合に、一意的かつ社会的最適な解をもたらすか。
• RQ4 処理能力に制限のあるモバイルデバイスに適した低計算複雑性で、最適解を効率的に計算できるか。
• RQ5 実際の現場で最適空き時間割り当てを信頼性高く実装するスケジューリングメカニズムは何か。

主な発見

• 一般化ネッシュ交渉ゲームの定式化により、一意の最適解が保証され、方程式系の数学的解析を通じて証明された。
• 提案されたアルゴリズムは再帰的かつ低複雑性の方法で最適割り当てを計算でき、処理能力に制限のあるモバイルデバイスに適している。
• 中継によるリソース使用の増加を反映するために、(1+βi)要因を組み込むことで、GOの高いリソース使用を適切に考慮している。
• 数値結果から、ネッシュ交渉に基づく割り当てが、比例配分や最大最小公平性方式に比べて、より高い配信レートの公平性を達成することが示された。
• 時分割スケジューリングアプローチにより、最適割り当てが成功裏に実装され、ノード間でラウンドロビン方式で公平かつ効率的なデータ配信が可能になった。
• 分析により、等しいスループットや空き時間でも、GOの中継役割のため、等しい配信レートにはならないことが確認され、レートベースの公平性の必要性が裏付けられた。