[論文レビュー] On the Throughput/Bit-Cost Tradeoff in CSMA Based Cooperative Networks

Georg Böcherer|ArXiv.org|Jun 5, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、理論的スループット/ビットコストトレードオフ曲線上の任意の点を達成できる分散型CSMAベースのプロトコルfairMACを提案する。送信ごとのパケット転送数を調整することにより、fairMACはエネルギー効率（ビットコスト）とデータレート（スループット）の最適なトレードオフに漸近的に近づく。理論的考察とモンテカルロシミュレーションにより検証された。

ABSTRACT

Wireless local area networks (WLAN) still suffer from a severe performance discrepancy between different users in the uplink. This is because of the spatially varying channel conditions provided by the wireless medium. Cooperative medium access control (MAC) protocols as for example CoopMAC were proposed to mitigate this problem. In this work, it is shown that cooperation implies for cooperating nodes a tradeoff between throughput and bit-cost, which is the energy needed to transmit one bit. The tradeoff depends on the degree of cooperation. For carrier sense multiple access (CSMA) based networks, the throughput/bit-cost tradeoff curve is theoretically derived. A new distributed CSMA protocol called fairMAC is proposed and it is theoretically shown that fairMAC can asymptotically achieve any operating point on the tradeoff curve when the packet lengths go to infinity. The theoretical results are validated through Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 空間的に変動するチャネル状態に起因するWLANアップリンクにおける性能格差を是正すること。
• CSMAベースの協調ネットワークにおけるスループットとビットコスト（1ビットあたりのエネルギー）の根本的トレードオフを特定すること。
• 公平性制約のもとで、理論的スループット/ビットコストトレードオフ曲線上の任意の点に到達可能な分散型プロトコルを設計すること。
• 適応的転送を通じてエネルギー消費を最小限に抑えながら、すべてのノードが同等の長期的スループットを維持すること。
• 理論的トレードオフ曲線およびプロトコル性能をモンテカルロシミュレーションにより検証すること。

提案手法

• スループットをノードあたりの平均データレート、ビットコストを送信ビットあたりの平均エネルギー（リレーエネルギーを含む）として定義する。
• 直接リンク（協調なし）とCoopMAC（完全協調）との時間共有により、理論的スループット/ビットコストトレードオフ曲線を導出する。
• helperノードが1送信あたり最大Qパケットを転送する分散型CSMAプロトコルfairMACを提案し、Qを動的に調整することで協調レベルを制御する。
• 理論的分析により、パケット長が増大する（σ → 0）際、fairMACがラウンドロビンベースのCoopMACと同一の動作点に漸近的に到達することを示す。
• 確率的幾何学と再生理論を用いて送信時間とエネルギー消費をモデル化し、fairMAC下での期待スループットとビットコストを導出する。
• MATLABベースのネットワークシミュレータを用いたモンテカルロシミュレーションにより、Qおよびσの異なる値における結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべてのノードが同等の長期的スループットを維持する制約のもとで、CSMAベースの協調ネットワークにおけるスループットとビットコストの根本的トレードオフは何か？
• RQ2 中央集権的パワー制御なしに、分散型プロトコルが理論的スループット/ビットコストトレードオフ曲線上の任意の点に到達可能か？
• RQ3 fairMACにおける1送信あたりのパケット転送数（Q）は、得られるスループットおよびビットコストにどのように影響するか？
• RQ4 パケット長が増大する際、fairMACは中央集権的ラウンドロビンベース協調プロトコルの性能に漸近的に到達するか？
• RQ5 CSMAプロトコル固有のランダム性（σ）は、fairMACの性能が理論的トレードオフ曲線に近づく程度にどのように影響するか？

主な発見

• CSMAベースの協調ネットワークでは、スループットとビットコストの根本的トレードオフが存在する：完全協調ではスループットが最大化されるがビットコストが増加し、直接送信ではビットコストが最小化されるがスループットが低下する。
• 理論的スループット/ビットコストトレードオフ曲線は、直接リンクとCoopMACとの時間共有により得られ、達成可能な点の凸包を形成する。
• 正規化されたパケット長σ → 0（無限大のパケット長に相当）のとき、fairMACはラウンドロビンベースのCoopMACと同一のスループットおよびビットコストに漸近的に到達する。
• 小さなσ（σ = 0.0001）では、fairMACの動作点はCSMAベースおよびラウンドロビンベースのトレードオフ曲線に非常に近く、理論的収束を実証する。
• 大きなσ（σ = 0.0088）では、長時間の転送パケットによる衝突確率の増加により、fairMACの動作点がCSMA時間共有曲線の下側に位置する。
• シミュレーション結果により、Q = 0のfairMACは直接リンク性能と一致し、Qを増加させることでスループットが向上するがビットコストが増加する傾向が確認され、理論的期待と整合的である。