[논문 리뷰] On Wireless Link Scheduling and Flow Control

Ashutosh Deepak Gore|ArXiv.org|2008. 12. 27.

Mobile Ad Hoc Networks참고 문헌 98인용 수 5

한 줄 요약

이 학위논문은 무선 메시 네트워크를 위한 고도로 발전된 링크 스케줄링 및 흐름 제어 알고리즘을 제안하며, SINR 기반 모델과 그래프 이론을 활용하여 공간 재사용과 대역폭을 극대화한다. 고공간재사용 스케줄링 알고리즘과 전력 적응형 랜덤 액세스 프로토콜을 도입하여 최대 안정 대역폭이 55.18%에 이를 뿐 아니라, 일정 전력 기반의 전통적 FCFS 방식보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

This thesis focuses on link scheduling in wireless mesh networks by taking into account physical layer characteristics. The assumption made throughout is that a packet is received successfully only if the Signal to Interference and Noise Ratio (SINR) at the receiver exceeds the communication threshold. The thesis also discusses the complementary problem of flow control. (1) We consider various problems on centralized link scheduling in Spatial Time Division Multiple Access (STDMA) wireless mesh networks. We motivate the use of spatial reuse as performance metric and provide an explicit characterization of spatial reuse. We propose link scheduling algorithms based on certain graph models (communication graph, SINR graph) of the network. Our algorithms achieve higher spatial reuse than that of existing algorithms, with only a slight increase in computational complexity. (2) We investigate random access algorithms in wireless networks. We assume that the receiver is capable of power-based capture and propose a splitting algorithm that varies transmission powers of users on the basis of quaternary channel feedback. We model the algorithm dynamics by a Discrete Time Markov Chain and consequently show that its maximum stable throughput is 0.5518. Our algorithm achieves higher maximum stable throughput and significantly lower delay than the First Come First Serve (FCFS) splitting algorithm with uniform transmission power. (3) We consider the problem of flow control in packet networks from an information-theoretic perspective. We derive the maximum entropy of a flow which conforms to traffic constraints imposed by a generalized token bucket regulator (GTBR), by taking into account the covert information present in randomness of packet lengths.

연구 동기 및 목표

• SINR 임계치와 같은 물리계층 특성을 통합함으로써 기존 프rotocol 간섭 모델의 한계를 해결한다.
• 통신 및 SINR 그래프 모델을 활용한 고공간재사용 링크 스케줄링 알고리즘을 개발하여 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.
• 4단계 피드백(성공, 캡처, 충돌, 대기)을 갖춘 전력 적응형 랜덤 액세스 프로토콜을 설계하여 랜덤 액세스 환경에서의 대역폭을 향상시키고 지연을 감소시킨다.
• 정보이론적 관점에서 흐름 제어를 연구하며, 일반화된 토큰 버킷 제약 조건 하에서 엔트로피를 최적화한다.
• 패킷 네트워크에서 효율적인 트래픽 규제를 위한 흐름 엔트로피와 조절기 설계에 대한 이론적 한계를 수립한다.

제안 방법

• 노드를 링크로, 간선을 간섭 또는 SINR 기반 충돌로 간주하는 통신 및 SINR 그래프를 사용하여 무선 네트워크를 모델링한다.
• 그래프 색칠 및 SINR 제약 조건을 기반으로 한 ConflictFreeLinkSchedule 알고리즘을 제안하여 간섭을 관리하면서 공간 재사용을 극대화한다.
• 4단계 피드백(성공, 캡처, 충돌, 대기)에 기반한 전력 적응형 분할 알고리즘을 도입하여 전송 전력을 조정한다.
• 이산 시간 마르코프 체인(DTMC)을 사용하여 알고리즘의 동역학을 분석하고, 정적 상태 확률 및 대역폭 성능을 유도한다.
• 정보이론을 적용하여 일반화된 토큰 버킷 제약 조건 하에서 규제 흐름의 최대 엔트로피를 유도하며, 패킷 길이의 랜덤성을 고려한다.
• L’Hôpital의 정리를 사용하여 DTMC 모델에서 한계 전이 확률을 해석적으로 계산함으로써 대역폭 한계를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상화된 프rotocol 모델이 아닌 물리계층의 SINR 제약 조건을 활용하여 무선 메시 네트워크의 링크 스케줄링을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 4단계 피드백을 갖춘 전력 적응형 랜덤 액세스 프로토콜의 이론적 최대 안정 대역폭는 얼마이며, 일정 전력 기반의 FCFS 방식과 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ3 traf fic 제약 조건 하에서 흐름 엔트로피를 극대화하는 일반화된 토큰 버킷 조절기의 최적 구조는 무엇인가?
• RQ4 SINR 그래프 기반 링크 스케줄링 알고리즘의 공간 재사용 능력은 기존 알고리즘과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 패킷 길이의 랜덤성 고려 시, 일반화된 토큰 버킷에 의해 규제되는 흐름의 엔트로피에 대한 이론적 상한은 얼마인가?

주요 결과

• ConflictFreeLinkSchedule 알고리즘은 계산 복잡도가 약간 증가할 뿐이지만, 기존 알고리즘보다 높은 공간 재사용 성능을 달성한다.
• 제안된 전력 적응형 분할 알고리즘은 최대 안정 대역폭 0.5518을 달성하여 일정 전력 기반 FCFS의 0.5 대역폭보다 뚜렷이 높다.
• 알고리즘은 FCFS 대비 지연을 감소시켜, 랜덤 액세스 환경에서 성능 향상을 입증한다.
• 최적의 일반화된 토큰 버킷 조절기는 근사적으로 균일한 버킷 깊이 순서와 감소하는 토큰 증가 순서를 가지며, 이는 흐름 엔트로피를 극대화한다.
• 해석적 결과는 DTMC 모델에서 핵심 상태의 한계 전이 확률이 각각 1/2, 1/4, 1/8, 1/8로 수렴함을 확인하여 대역폭 유도의 타당성을 검증한다.
• 흐름 엔트로피에 대한 이론적 한계를 도출하였으며, 패킷 길이의 랜덤성이 은폐된 정보를 생성함을 보여주어 최적의 규제에 활용 가능함을 시사한다.