[論文レビュー] The Effect of Scheduling on Link Capacity in Multi-hopWireless Networks

Vinay Kolar, Nael Abu‐Ghazaleh|ArXiv.org|Aug 18, 2006

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、競合制御プロトコルで防止できないMACレベルの衝突に起因する破壊的干渉を特定することで、マルチホップ無線ネットワークにおけるリンク容量推定を向上させるスケジューリングに配慮したリンクレーティングモデルを提案する。衝突リスクがあるにもかかわらず同時に送信する干渉源のみをモデル化することで、干渉のみを考慮するモデルと比較して、特に高負荷下でのシミュレーションで最大4倍の性能向上を達成し、より高いスループットと信頼性を実現する。

ABSTRACT

Existing models of Multi-Hop Wireless Networks (MHWNs) assume that interference estimators of link quality such as observed busy time predict the capacity of the links. We show that these estimators do not capture the intricate interactions that occur at the scheduling level, which have a large impact on effective link capacity under contention based MAC protocols. We observe that scheduling problems arise only among those interfering sources whose concurrent transmissions cannot be prevented by the MAC protocol's collision management mechanisms; other interfering sources can arbitrate the medium and coexist successfully. Based on this observation, we propose a methodology for rating links and show that it achieves high correlation with observed behavior in simulation. We then use this rating as part of a branch-and-bound framework based on a linear programming formulation for traffic engineering in static MHWNs and show that it achieves considerable improvement in performance relative to interference based models.

研究の動機と目的

• 競合制御プロトコルで防止できないスケジューリングレベルの相互作用を考慮しない既存の干渉ベースのモデルの限界を解消すること。
• IEEE 802.11のような競合ベースMACプロトコルにおいて、実際に破壊的衝突を引き起こす干渉源を特定すること。
• スケジューリング効果を捉えるリンクレーティング指標を開発し、容量推定とルーティング性能の向上を図ること。
• トラフィックエンジニアリングにスケジューリングに配慮した指標を組み込むことで、干渉のみのモデルやグリーディルーティング手法と比較して優れたルート選択が可能になることを示すこと。
• 静的および動的ネットワークにおける防止不能な衝突の性質を特定することで、分散型ルーティングアルゴリズムの基盤を提供すること。

提案手法

• MACプロトコルの衝突管理メカニズムでは防止できない衝突リスクを有する干渉源の集合を特定する。
• 提案された干渉ベースリンクレーティング（IBLR）指標をコスト関数として使用する、線形プログラミングに基づくトラフィックエンジニアリングフレームワークを構築する。
• 破壊的相互作用集合に基づいてRTSおよびACKタイムアウトの期待値を推定することで、スケジューリング効果をモデル化し、IBLR指標の核を形成する。
• シミュレーションを用いて、IBLRが観測されたMACレベルのタイムアウトおよびパケット損失と強く相関することを検証する。
• varying traffic loads における IBLR ベースのルーティングと標準的な DSR および干渉に配慮したルーティング（IAR）方式の性能を比較する。
• 静的マルチホップ無線ネットワークにおけるルート選択最適化のため、LP定式化に分枝限定法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 競合制御プロトコルにおいて、防止不能な衝突を含むスケジューリングレベルの相互作用は、競合制御プロトコルにおける有効リンク容量にどのように影響するか？
• RQ2 スケジューリング効果を無視する伝統的な干渉ベースの指標は、実現可能なリンク容量をどの程度過大評価しているか？
• RQ3 防止不能な干渉源集合に基づくリンクレーティングモデルは、タイムアウト率やパケット損失といった実世界のリンク性能を正確に予測できるか？
• RQ4 干渉のみのモデルと比較して、スケジューリングに配慮した指標をトラフィックエンジニアリングに組み込むことで、どの程度の性能向上が達成できるか？
• RQ5 グリーディまたは干渉に配慮したルーティングプロトコルと比較して、スケジューリングに配慮したルーティングはスループットおよび信頼性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 防止不能な干渉源集合に基づく提案された IBLR 指標は、シミュレーションにおいて観測された MAC レベルのタイムアウトおよびパケット損失と強く相関している。
• スケジューリングに配慮したルーティング（SAR）は、高負荷下の6接続シナリオで DSR と比較して最大4倍のスループットを達成し、4接続シナリオでは2倍のスループットを達成した。
• SAR は RTS タイムアウト、ACK タイムアウト、再送信関連のパケット損失といった重要な分野で、接続メトリクス劣化を50％以上削減した。
• 中程度の負荷下でも、SAR は干渉に配慮したルーティング（IAR）を著しく上回り、IAR がスケジューリング効果を無視しているため最適でないルート選択が行われていることが示された。
• SAR と DSR の性能差は負荷が増加するにつれて拡大し、スケジューリング効果が負荷が高くなるとますます重要になることが示された。
• 本研究では、伝統的な干渉ベースのモデルが、MAC レベルの衝突ダイナミクスの真の影響を捉えていないため、実現可能な容量の上限値しか提供しないことが明らかになった。