[论文解读] Delay-Guaranteed Cross-Layer Scheduling in Multi-Hop Wireless Networks

Dongyue Xue, Eylem Ekici|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2010

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 28被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种用于多跳无线网络的跨层调度算法，可在保证吞吐量接近最优（$ε$以内）的同时，提供$O(1/\epsilon)$的端到端延迟边界。通过引入用于拥塞控制、延迟和速率保证的虚拟队列，并采用加权最大反压策略，该算法将实际队列的队列积压稳定在有界范围内，实现了最优性能，并显式体现了服务质量（QoS）的权衡。

ABSTRACT

In this paper, we propose a cross-layer scheduling algorithm that achieves a throughput "epsilon-close" to the optimal throughput in multi-hop wireless networks with a tradeoff of O(1/epsilon) in delay guarantees. The algorithm aims to solve a joint congestion control, routing, and scheduling problem in a multi-hop wireless network while satisfying per-flow average end-to-end delay guarantees and minimum data rate requirements. This problem has been solved for both backlogged as well as arbitrary arrival rate systems. Moreover, we discuss the design of a class of low-complexity suboptimal algorithms, the effects of delayed feedback on the optimal algorithm, and the extensions of the proposed algorithm to different interference models with arbitrary link capacities.

研究动机与目标

• 解决现有基于反压的调度算法在多跳无线网络中缺乏端到端延迟保证的问题。
• 联合优化拥塞控制、路由与调度，同时满足最小数据速率和平均延迟约束。
• 设计一种低复杂度、分布式算法，保持有界队列积压并实现接近最优的吞吐量。
• 将该框架扩展至任意业务到达、延迟反馈以及具有可变链路容量的一般干扰模型。

提出的方法

• 引入三个虚拟队列：用于输入速率控制的传输层虚拟队列、用于端到端延迟保证的虚拟延迟队列，以及用于满足最小数据速率要求的虚拟服务队列。
• 采用加权最大反压调度策略，其中权重为虚拟队列积压与实际反压差值的乘积。
• 在每个时隙通过求解最大权匹配（MWM）问题，实施联合的分组准入、路由与调度策略。
• 采用拥塞控制器，根据虚拟队列积压调整输入速率，以稳定系统。
• 采用节点独占式干扰模型，支持时变信道条件和任意链路容量。
• 将算法扩展以处理延迟的队列状态信息，以及在衰落信道上的任意干扰模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 跨层算法是否能在多跳无线网络中实现接近最优的吞吐量，同时保证端到端延迟边界？
• RQ2 如何设计虚拟队列，以将队列积压负担从实际队列转移到虚拟队列，从而改善延迟性能？
• RQ3 在此类框架中，吞吐量最优性与延迟保证之间的权衡关系是什么？
• RQ4 在任意业务到达和延迟反馈条件下，该算法的性能如何？
• RQ5 该算法能否扩展至一般干扰模型和可变链路容量？

主要发现

• 该算法实现了与最优值相差$ε$以内的吞吐量，且延迟边界随$O(1/\epsilon)$增长。
• 所有实际队列积压均被确定性地限制在$q_M$以内，确保系统稳定性和可预测的延迟。
• 虚拟队列结构成功地将队列积压负担从实际队列中解耦，从而在不增加端到端延迟的前提下实现延迟保证。
• 该算法已扩展至处理任意输入速率、延迟反馈，以及具有任意链路容量的一般干扰模型。
• 提出了一类低复杂度的次优算法，以更低的计算成本保持接近最优的性能。
• 性能分析表明，即使在网络条件动态且不确定的情况下，该算法仍能维持系统稳定性和QoS保证。