[论文解读] 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 5

一句话总结

本论文提出了一种针对无线网状网络的先进链路调度与流量控制算法，基于SINR模型与图论，以最大化空间复用与吞吐量。提出了一种高空间复用调度算法与一种功率自适应随机接入协议，实现了55.18%的最大稳定吞吐量，显著优于采用统一功率的传统FCFS方案。

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.

研究动机与目标

• 通过引入SINR阈值等物理层特性，解决传统协议干扰模型在无线网状网络中的局限性。
• 基于通信图与SINR图模型，设计一种高空间复用链路调度算法，以提升频谱效率。
• 设计一种基于四元反馈的功率自适应随机接入协议，以提升随机接入场景下的吞吐量并降低延迟。
• 从信息论角度研究流量控制，优化广义令牌桶约束下的熵。
• 建立广义令牌桶调节器在分组网络中实现高效流量调控的理论边界。

提出的方法

• 使用通信图与SINR图对无线网络进行建模，其中节点表示链路，边表示干扰或基于SINR的冲突。
• 基于图着色与SINR约束，提出ConflictFreeLinkSchedule算法，以在管理干扰的同时最大化空间复用。
• 引入一种基于四元反馈（成功、捕获、冲突、空闲）的功率自适应分裂算法。
• 利用离散时间马尔可夫链（DTMC）分析算法动态，推导稳态概率与吞吐量性能。
• 应用信息论，推导在广义令牌桶约束下受调节流量的最大熵，考虑分组长度的随机性。
• 使用L’Hôpital法则解析计算DTMC模型中的极限转移概率，从而推导吞吐量边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何基于物理层SINR约束而非理想化的协议模型，优化无线网状网络中的链路调度？
• RQ2 具有四元反馈的功率自适应随机接入协议能达到的最大稳定吞吐量是多少？与采用统一功率的FCFS方案相比表现如何？
• RQ3 在流量约束下，能最大化流量熵的广义令牌桶调节器的最优结构是什么？
• RQ4 基于SINR图的链路调度算法的空间复用性能与现有算法相比如何？
• RQ5 在分组长度具有随机性的情况下，广义令牌桶调节的流量熵的理论上限是多少？

主要发现

• ConflictFreeLinkSchedule算法在仅带来轻微计算复杂度增加的情况下，实现了比现有算法更高的空间复用性能。
• 所提出的功率自适应分裂算法实现了0.5518的最大稳定吞吐量，显著高于采用统一功率的FCFS方案的0.5吞吐量。
• 与FCFS相比，该算法降低了延迟，表明在随机接入场景中性能更优。
• 最优广义令牌桶调节器具有近似均匀的桶深序列与递减的令牌增量序列，从而最大化流量熵。
• 分析结果证实，DTMC模型中的极限转移概率收敛于1/2、1/4、1/8与1/8，验证了吞吐量推导的正确性。
• 推导出流量熵的理论边界，表明分组长度的随机性会引入隐含信息，可被用于实现最优调节。