[논문 리뷰] TOFRA: Throughput Optimal Flow Rate Allocation with Bounded Delay for Random Access Wireless Mesh Networks

Manolis Ploumidis, Νικόλαος Παππάς외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 24.

Mobile Ad Hoc Networks인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다중 흐름, 다중 경로, 다중 패킷 수신 기능을 갖춘 랜덤 액세스 무선 메시 네트워크에서 집합적 처리량을 최대화하면서 지연을 제한하는 분산 흐름 할당 기법인 TOFRA를 제안한다. 간섭은 SINR 모델을 통해 모델링되며, 다양한 구조에서 시뮬레이션 결과 라운드로빈, 베스트패스 전용, 최대 흐름 할당 기법보다 뛰어난 성능을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중 홉, 랜덤 액세스 무선 메시 네트워크에서 집합적 처리량(AAT)을 최대화하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 게이트웨이로 향하는 노드 분리 경로를 통해 내부 경로 및 외부 경로의 간섭을 모두 관리하기 위해.
• 동적이고 다중 흐름 무선 환경에서 높은 처리량을 달성하면서도 패킷 지연을 제한하기 위해.
• 실제 구현에 적합하고 확장 가능한 분산 흐름 할당 기법을 개발하기 위해.
• 비포화 큐 조건 하에서 단순화된 SINR 기반 처리량 모델의 정확성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 간섭 제약 조건 하에서 AAT를 최대화하기 위해 비볼록 최적화 문제로 흐름 할당을 수립한다.
• 내부 및 외부 경로의 간섭 영향을 처리량에 반영하기 위해 단순화되었지만 정확한 SINR 기반 모델을 사용한다.
• 각 노드가 로컬 간섭 및 채널 조건에 기반해 독립적으로 흐름 할당을 계산하는 분산 알고리즘을 설계한다.
• 계산 복잡도를 줄이기 위해 간섭의 주요 원인 노드만 고려하여 간섭을 근사화하는 변형을 제안한다.
• 실제 비포화 트래픽 조건 하에서 다양한 랜덤 무선 구조에서 성능을 평가하기 위해 Ns2 시뮬레이션을 사용한다.
• 라운드로빈 경로 할당, 베스트패스 전용 활용, 경로별 최대 흐름 할당을 포함한 네 가지 기준 기반 기법과 TOFRA를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 홉 무선 메시 네트워크에서 기존 경로 할당 전략보다 높은 집합적 처리량을 달성할 수 있는 분산 흐름 할당 기법이 가능한가?
• RQ2 큐 포화 가정을 완화했을 때 단순화된 SINR 기반 모델이 집합적 처리량을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 외부 경로 간섭은 흐름 처리량에 어떤 영향을 미치며, 효과적으로 모델링하고 완화할 수 있는가?
• RQ4 주요 간섭원에 한정해 간섭 계산을 제한해도 성능 유지는 유지되며 복잡도는 감소하는가?
• RQ5 제안된 기법은 다양한 무선 구조에서 처리량을 최대화하면서도 지연을 제한할 수 있는가?

주요 결과

• 비포화 큐 가정 없이도 시뮬레이션 환경에서 SINR 기반 모델이 집합적 처리량을 정확하게 예측한다.
• 대부분의 시뮬레이션 구조에서 TOFRA는 라운드로빈, 베스트패스 전용, 경로별 최대 흐름 할당 기법보다 유의미하게 높은 집합적 처리량을 달성한다.
• 주요 간섭원만 고려하는 TOFRA의 변형은 계산 오버헤드를 줄이면서도 높은 성능을 유지한다.
• 일련의 구조적 예시를 통해 흐름 할당 문제의 비볼록 성격을 입증하여 히우리스틱 또는 근사 기반 솔루션의 필요성을 정당화한다.
• 제안된 기법은 처리량과 지연을 효과적으로 균형 잡으며, 여러 경로를 통해 흐름 집약을 최대화하면서도 지연을 제한한다.
• 시뮬레이션 결과는 다양한 랜덤 무선 네트워크 구성에서 이 기법의 강건성을 확인한다.