[論文レビュー] TOFRA: Throughput Optimal Flow Rate Allocation with Bounded Delay for Random Access Wireless Mesh Networks

Manolis Ploumidis, Νικόλαος Παππάς+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2014

Mobile Ad Hoc Networks被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、SINRモデルを用いて干渉をモデル化することで、整合的スループットを最大化するとともに遅延を限定的に保証する分散型フローアロケーション方式TOFRAを提案する。多数の異なるトポロジにおいて、ラウンドロビン方式、ベストパスオンative方式、最大フロー方式と比較して優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

In this paper, we consider random access, wireless, multi-hop networks, with multi-packet reception capabilities, where multiple flows are forwarded to the gateways through node disjoint paths. We explore the issue of allocating flow on multiple paths, exhibiting both intra- and inter-path interference, in order to maximize average aggregate flow throughput (AAT) and also provide bounded packet delay. A distributed flow allocation scheme is proposed where allocation of flow on paths is formulated as an optimization problem. Through an illustrative topology it is shown that the corresponding problem is non-convex. Furthermore, a simple, but accurate model is employed for the average aggregate throughput achieved by all flows, that captures both intra- and inter-path interference through the SINR model. The proposed scheme is evaluated through Ns2 simulations of several random wireless scenarios. Simulation results reveal that, the model employed, accurately captures the AAT observed in the simulated scenarios, even when the assumption of saturated queues is removed. Simulation results also show that the proposed scheme achieves significantly higher AAT, for the vast majority of the wireless scenarios explored, than the following flow allocation schemes: one that assigns flows on paths on a round-robin fashion, one that optimally utilizes the best path only, and another one that assigns the maximum possible flow on each path. Finally, a variant of the proposed scheme is explored, where interference for each link is approximated by considering its dominant interfering nodes only.

研究の動機と目的

• マルチホップでランダムアクセス可能な無線メッシュネットワークにおいて、マルチパケット受信機能を備えた環境で、整合的フローフロー・スループット（AAT）を最大化する課題に対処すること。
• ゲートウェイへ向けたノード非交差パスを介したフローアロケーションにおいて、イントラパスおよびインターパス干渉を管理すること。
• 動的でマルチフローな無線環境において、高いスループットを達成するとともに、パケット遅延を限定的に保証すること。
• 実世界での展開に適したスケーラブルで実用的な分散型フローアロケーション方式を開発すること。
• 非飽和キュー状態下でも正確なSINRに基づくスループットモデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 干渉制約下でAATを最大化する非凸最適化問題としてフローアロケーションを定式化する。
• イントラパスおよびインターパス干渉の影響をスループットに与える影響を捉えるために、簡略化されたが正確なSINRベースのモデルを採用する。
• 各ノードが局所的な干渉状態およびチャネル状態に基づいて独立してフローアロケーションを計算する分散アルゴリズムを設計する。
• 計算複雑性を低減するため、干渉の近似として支配的とされる干渉ノードのみを考慮する方式の変種を提案する。
• Ns2を用いたシミュレーションにより、現実的で非飽和なトラフィック条件下での複数のランダム無線トポロジにおける性能を評価する。
• TOFRAを、ラウンドロビン経路割り当て、ベストパスオンリーユーティライゼーション、およびパスごとの最大フロー割り当ての4つのベースライン方式と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型フローアロケーション方式は、マルチホップ無線メッシュネットワークにおいて、従来の経路割り当て戦略よりも高い整合的スループットを達成できるか？
• RQ2 キューの飽和仮定を緩和した状況下でも、簡略化されたSINRベースのモデルは、整合的スループットをどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 インターパス干渉はフローフローにどのような影響を及ぼし、効果的にモデル化・緩和できるか？
• RQ4 干渉計算を支配的干渉ノードに限定することで、性能を維持しつつ計算複雑性を低減できるか？
• RQ5 提案された方式は、多様な無線トポロジにおいて、スループットを最大化しつつ遅延を限定的に保てるか？

主な発見

• SINRベースのモデルは、キューが飽和していると仮定しない状況下でも、シミュレーション環境において整合的スループットを正確に予測できる。
• TOFRAは、多数のシミュレーショントポロジにおいて、ラウンドロビン方式、ベストパスオンリーフロー方式、およびパスごとの最大フロー方式を著しく上回る高い整合的スループットを達成する。
• 支配的干渉ノードのみを考慮するTOFRAの変種は、計算オーバーヘッドを低減しつつも高い性能を維持している。
• 提示されたトポロジの例を通じて、フローアロケーション問題の非凸性が明確に示され、ヒューリスティックまたは近似に基づく解決手法の必要性が裏付けられた。
• 提案された方式は、スループットと遅延の両立に効果的に寄与し、複数の経路にわたるフロー集約を最大化しつつ、遅延を限定的に保証している。
• シミュレーション結果は、広範なランダム無線ネットワーク構成において、本手法のロバスト性を確認している。