[论文解读] On the Throughput/Bit-Cost Tradeoff in CSMA Based Cooperative Networks

Georg Böcherer|ArXiv.org|Jun 5, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文提出 fairMAC，一种基于分布式 CSMA 的协议，可在无线网络中实现协作传输，同时在理论吞吐量/比特成本权衡曲线上实现任意点。通过调整每轮传输中转发的分组数量，fairMAC 渐近逼近能量效率（比特成本）与数据速率（吞吐量）之间的最优权衡，理论分析与蒙特卡洛仿真均验证了该性能。

ABSTRACT

Wireless local area networks (WLAN) still suffer from a severe performance discrepancy between different users in the uplink. This is because of the spatially varying channel conditions provided by the wireless medium. Cooperative medium access control (MAC) protocols as for example CoopMAC were proposed to mitigate this problem. In this work, it is shown that cooperation implies for cooperating nodes a tradeoff between throughput and bit-cost, which is the energy needed to transmit one bit. The tradeoff depends on the degree of cooperation. For carrier sense multiple access (CSMA) based networks, the throughput/bit-cost tradeoff curve is theoretically derived. A new distributed CSMA protocol called fairMAC is proposed and it is theoretically shown that fairMAC can asymptotically achieve any operating point on the tradeoff curve when the packet lengths go to infinity. The theoretical results are validated through Monte Carlo simulations.

研究动机与目标

• 解决由于信道条件在空间上变化导致的 WLAN 上行链路性能差异问题。
• 识别基于 CSMA 的协作网络中吞吐量与比特成本（每比特能量）之间的基本权衡关系。
• 设计一种分布式协议，使节点在公平性约束下可实现理论吞吐量/比特成本权衡曲线上的任意点。
• 确保所有节点在最小化能量消耗的同时保持长期吞吐量相等，通过自适应转发实现。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论权衡曲线与协议性能。

提出的方法

• 将吞吐量定义为每节点的平均数据速率，比特成本定义为包括中继能量在内的每传输比特的平均能量。
• 通过直接链路（无协作）与 CoopMAC（完全协作）之间的时分复用，推导出理论吞吐量/比特成本权衡曲线。
• 提出 fairMAC，一种分布式 CSMA 协议，其中辅助节点每轮传输最多转发 Q 个分组，Q 值动态调整以控制协作程度。
• 理论分析表明，当分组长度趋于无穷大（σ → 0）时，fairMAC 渐近达到与基于轮转的 CoopMAC 相同的工作点。
• 利用随机几何与更新理论建模传输时间与能量消耗，推导出在 fairMAC 下的期望吞吐量与比特成本。
• 在基于 MATLAB 的网络仿真器中，通过蒙特卡洛仿真验证结果，仿真中变化 Q 与 σ 的取值。

实验结果

研究问题

• RQ1 当所有节点被约束为具有相等的长期吞吐量时，在基于 CSMA 的协作网络中，吞吐量与比特成本之间是否存在基本权衡？
• RQ2 一种分布式协议是否可以在无需集中式功率控制的情况下，实现理论吞吐量/比特成本权衡曲线上的任意点？
• RQ3 在 fairMAC 中，每轮传输的分组转发数量（Q）如何影响最终的吞吐量与比特成本？
• RQ4 当分组长度增加时，fairMAC 是否渐近达到集中式轮转协议的性能？
• RQ5 CSMA 协议固有的随机性（σ）如何影响 fairMAC 性能与理论权衡曲线之间的接近程度？

主要发现

• 在基于 CSMA 的协作网络中，吞吐量与比特成本之间存在基本权衡：完全协作可最大化吞吐量但增加比特成本，而直接传输可最小化比特成本但降低吞吐量。
• 理论吞吐量/比特成本权衡曲线被表示为直接链路与 CoopMAC 之间的时分复用曲线，构成可实现点的凸包。
• 当归一化分组长度 σ → 0（即分组长度趋于无穷大）时，fairMAC 渐近达到与基于轮转的 CoopMAC 相同的吞吐量与比特成本。
• 对于较小的 σ（σ = 0.0001），fairMAC 的工作点紧密跟踪基于 CSMA 和基于轮转的权衡曲线，验证了理论收敛性。
• 对于较大的 σ（σ = 0.0088），由于长距离转发分组导致碰撞概率增加，fairMAC 的工作点低于基于 CSMA 的时分复用曲线。
• 仿真结果确认，当 Q = 0 时，fairMAC 的性能与直接链路一致；随着 Q 增加，吞吐量提升但比特成本上升，与理论预期一致。