[论文解读] Congestion Control and Routing over Challenged Networks

Jung H. Ryu|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2012

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 60被引用 4

一句话总结

该论文为移动无线网络提出了一种新颖的拥塞控制与路由算法，通过利用本地队列信息和动态网络自适应，避免依赖对信道动态的平均或跟踪。该方法在三种具有挑战性的网络类型——移动下行链路、间歇性连接网络和移动载波网络——中实现了最优吞吐量与延迟性能，且无需全局网络状态知识或实时信道状态跟踪。

ABSTRACT

This dissertation is a study on the design and analysis of novel, optimal routing and rate control algorithms in wireless, mobile communication networks. Congestion control and routing algorithms upto now have been designed and optimized for wired or wireless mesh networks. In those networks, optimal algorithms (optimal in the sense that either the throughput is maximized or delay is minimized, or the network operation cost is minimized) can be engineered based on the classic time scale decomposition assumption that the dynamics of the network are either fast enough so that these algorithms essentially see the average or slow enough that any changes can be tracked to allow the algorithms to adapt over time. However, as technological advancements enable integration of ever more mobile nodes into communication networks, any rate control or routing algorithms based, for example, on averaging out the capacity of the wireless mobile link or tracking the instantaneous capacity will perform poorly. The common element in our solution to engineering efficient routing and rate control algorithms for mobile wireless networks is to make the wireless mobile links seem as if they are wired or wireless links to all but few nodes that directly see the mobile links (either the mobiles or nodes that can transmit to or receive from the mobiles) through an appropriate use of queuing structures at these selected nodes. This approach allows us to design end-to-end rate control or routing algorithms for wireless mobile networks so that neither averaging nor instantaneous tracking is necessary.

研究动机与目标

• 解决传统拥塞控制与路由算法在移动无线网络中因时间尺度分离假设被违反而失效的问题。
• 设计在信道变化或间歇性连接导致有效跟踪或平均不可行的网络中，仍能保持高吞吐量与低延迟的算法。
• 开发无需全局网络状态知识或实时信道状态信息的分布式、可扩展解决方案。
• 确保在具有间歇链路或移动数据载波的动态移动网络中具备稳定性与最优性。
• 通过联合路由与速率控制，最小化移动辅助通信网络中的总网络运行成本。

提出的方法

• 提出一种新框架，通过在直接连接移动节点的网元上设置策略性队列结构，使移动链路对大多数节点呈现‘有线’特性。
• 在间歇性连接网络（ICNs）中应用基于反压的算法，避免依赖瞬时接触跟踪或长期平均。
• 基于使用本地队列反馈的动态成本最小化，设计一种联合移动-固定节点路径选择与速率控制算法，用于移动载波网络。
• 采用李雅普诺夫优化框架证明算法的稳定性和近似最优性，收敛至最优成本的 $O(1/K)$ 范围内。
• 通过将速率自适应与信道状态跟踪解耦，修改TCP拥塞控制以适用于移动下行链路，转而依赖队列反馈。
• 在ICNs中使用影子分组以提升延迟性能，同时保持吞吐量最优性，尽管以牺牲能量效率为代价。

实验结果

研究问题

• RQ1 在信道变化时间尺度与TCP往返时间相当的移动无线网络中，如何设计拥塞控制与路由？
• RQ2 在不依赖接触动态跟踪或平均的前提下，间歇性连接网络中管理速率控制与路由的最优方式是什么？
• RQ3 在具有可变路径成本与稀疏接触的移动载波网络中，移动节点如何动态选择路径以最小化总网络成本？
• RQ4 能否为移动网络设计分布式算法，实现在无需全局移动模式或速率知识情况下的近似最优性能？
• RQ5 在移动辅助与间歇性连接网络中，吞吐量、延迟与能量效率之间的权衡是什么？

主要发现

• 所提出的移动下行链路TCP修改方案实现了与期望信道功率 $\mathbb{E}[P]$ 成比例的吞吐量，且无需信道质量跟踪。
• 间歇性连接网络的反压算法实现了最优吞吐量，并最小化延迟，且不依赖对接触事件的平均或瞬时跟踪。
• 在移动载波网络中，联合移动-固定节点算法最小化了总网络成本，并在真实无线测试平台上得到验证，证明了其实际可行性。
• 基于李雅普诺夫的分析证明，算法收敛至最优成本的 $O(1/K)$ 范围内，漂移加惩罚项确保了稳定性和近似最优性。
• 该框架成功解耦了传统反压算法中的时间尺度耦合，消除了非接触节点处大缓冲队列的需求。
• 该方法实现了移动网络中无需集中控制或全局移动模式知识的分布式、可扩展运行。