[論文レビュー] On Wireless Link Scheduling and Flow Control

Ashutosh Deepak Gore|ArXiv.org|Dec 27, 2008

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 98被引用数 5

ひとこと要約

本学位論文は、SINRに基づくモデルとグラフ理論を活用して、空間的再利用とスループットを最大化する、ワイヤレスメッシュネットワーク向けの高度なリンクスケジューリングおよびフローフィードバック制御アルゴリズムを提案する。高空間的再利用スケジューリングアルゴリズムと、電力適応型ランダムアクセスプロトコルを導入し、均一な送信電力を持つ従来のFCFS方式と比較して顕著に優れた55.18%の最大安定スループットを達成する。

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.

研究の動機と目的

• SINRしきい値などの物理層特性を組み込むことで、従来のプロトコル干渉モデルの限界を克服すること。
• 通信およびSINRグラフモデルを用いた高空間的再利用リンクスケジューリングアルゴリズムの開発により、スペクトル効率を向上させること。
• 四値フィードバック（成功、キャプチャ、衝突、アイドル）を用いた電力適応型スプリッティングアルゴリズムの設計により、ランダムアクセス環境におけるスループットの向上と遅延の低減を図ること。
• 情報理論的視点からフローフィードバックを最適化し、一般化されたトークンバケツ制約下でのエントロピーを最適化すること。
• パケットネットワークにおける効率的なトラフィック制御のための、フローエントロピーとレギュレータ設計の理論的境界を確立すること。

提案手法

• ノードをリンクとして、エッジを干渉またはSINRに基づく競合として定義する通信およびSINRグラフを用いて無線ネットワークをモデル化する。
• グラフ彩色とSINR制約に基づくConflictFreeLinkScheduleアルゴリズムを提案し、干渉を管理しつつ空間的再利用を最大化する。
• 四値フィードバックに基づいて送信電力を調整する電力適応型スプリッティングアルゴリズムを導入する。
• 離散時間マルコフ連鎖（DTMC）を用いてアルゴリズムのダイナミクスを解析し、定常状態確率とスループット性能を導出する。
• 情報理論を応用して、一般化されたトークンバケツ制約下での制御フローの最大エントロピーを導出する。この際、パケット長のランダムネスを考慮する。
• L’Hôpitalの定理を用いてDTMCモデルにおける極限遷移確率を解析的に計算し、スループットの境界を導出可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理想化されたプロトコルモデルではなく、物理層のSINR制約を用いることで、ワイヤレスメッシュネットワークにおけるリンクスケジューリングをどのように最適化できるか。
• RQ2 四値フィードバックを有する電力適応型ランダムアクセスプロトコルの実現可能な最大安定スループットは何か。また、均一な送信電力を持つFCFS方式と比較してどのように異なるか。
• RQ3 トラフィック制約下でフローエントロピーを最大化する最適な一般化トークンバケツレギュレータの構造は何か。
• RQ4 SINRグラフに基づくリンクスケジューリングアルゴリズムの空間的再利用度は、既存のアルゴリズムと比較してどの程度向上するか。
• RQ5 パケット長のランダムネスを考慮した場合、一般化トークンバケツによって制御されるフローのエントロピーの理論的上限は何か。

主な発見

• ConflictFreeLinkScheduleアルゴリズムは、計算複雑度のわずかな増加で、既存のアルゴリズムよりも高い空間的再利用度を達成する。
• 提案された電力適応型スプリッティングアルゴリズムは、最大安定スループット0.5518を達成し、均一な送信電力を持つFCFS方式の0.5スループットを著しく上回る。
• アルゴリズムはFCFS方式と比較して遅延を低減し、ランダムアクセス環境における性能向上を実証する。
• 最適な一般化トークンバケツレギュレータは、近似的に一様なバケツ深さシーケンスと減少するトークン増加シーケンスを持つ構造であり、フローエントロピーを最大化する。
• 解析的結果により、DTMCモデルにおける極限遷移確率が、キーステートで1/2、1/4、1/8、1/8に収束することが確認され、スループット導出の妥当性が裏付けられる。
• フローエントロピーの理論的境界が導出され、パケット長のランダムネスが隠れた情報を提供し、最適な制御に利用可能であることが示された。