[论文解读] Distributed CSMA/CA Algorithms for Achieving Maximum Throughput in Wireless Networks

Jian Ni, R. Srikant|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2009

Wireless Networks and Protocols被引用 63

一句话总结

本文提出了一种用于无线网络的分布式CSMA/CA算法，通过使用带有控制时隙的离散时间模型来避免数据包碰撞，从而实现最大吞吐量。通过基于队列长度选择链路激活概率，该算法实现了与连续时间CSMA相同的乘积形式稳态分布，在较温和的假设下实现了吞吐量最优。

ABSTRACT

Recently, it has been shown that CSMA-type random access algorithms can achieve the maximum possible throughput in wireless ad hoc networks. Central to these results is a distributed randomized algorithm which selects schedules according to a product-form distribution. The product-form distribution is achieved by considering a continuous-time Markov model of an idealized CSMA protocol under which collisions cannot occur. In this paper, we present an algorithm which achieves the same productform distribution in a discrete-time setting where collisions of data packets are avoided through the exchange of control messages (however, the control messages are allowed to collide as in the 802.11 suite of protocols). In our discrete-time model, each time slot consists of a few control mini-slots followed by a data slot. It can be shown that even one control mini-slot is sufficient for our distributed scheduling algorithm to realize the same steady-state distribution as in the continuous-time case. Under some assumptions, the scheduling algorithm can be made throughput optimal by appropriately choosing the link activation probabilities as functions of the queue lengths. 1

研究动机与目标

• 设计一种分布式调度算法，在离散时间操作下实现无线自组织网络的最大吞吐量。
• 在允许控制消息碰撞的同时避免数据包碰撞，与802.11协议族的设计一致。
• 在离散时间环境下，仅使用最小控制开销，复现连续时间CSMA的乘积形式稳态分布。
• 通过基于队列长度调整链路激活概率，建立算法实现吞吐量最优的条件。
• 证明即使仅使用一个控制时隙，也能实现与连续时间情况相同的性能。

提出的方法

• 网络在离散时间时隙中运行，每个时隙分为控制时隙和随后的数据时隙，用于协调访问。
• 在时隙中交换控制消息，以协调链路调度并防止数据包碰撞。
• 该算法使用随机调度规则，使可行调度集合上诱导出乘积形式分布。
• 链路激活概率根据当前队列长度动态调整，以优化吞吐量。
• 系统建模为离散时间马尔可夫链，其稳态行为与连续时间CSMA模型一致。
• 理论分析表明，通过适当选择概率，该算法可实现最大可能的网络吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 离散时间CSMA/CA算法能否在无线自组织网络中实现与连续时间CSMA相同的吞吐量性能？
• RQ2 在离散时间环境下，为保持乘积形式分布所需的最小控制开销是多少？
• RQ3 如何根据队列长度调整链路激活概率以确保吞吐量最优？
• RQ4 是否可以在允许控制消息碰撞的同时，仍确保数据包碰撞避免？
• RQ5 仅使用一个控制时隙是否足以复现连续时间CSMA模型的稳态行为？

主要发现

• 所提出的离散时间算法实现了与连续时间CSMA模型相同的乘积形式稳态分布，确保了最优调度性能。
• 即使仅使用一个控制时隙，也足以实现与连续时间情况相同的稳态分布。
• 当链路激活概率根据队列长度适当地选择时，可实现吞吐量最优。
• 该算法通过控制消息交换避免数据包碰撞，同时允许控制消息碰撞，与802.11协议设计一致。
• 离散时间模型在保持连续时间CSMA方法理论吞吐量最优性的同时，支持实际实现。