[论文解读] Providing End-to-End Delay Guarantees for Multi-hop Wireless Sensor Networks over Unreliable Channels

I-Hong Hou|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2012

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文提出了一种适用于多跳无线传感器网络的可行性最优调度框架，可在不可靠信道上提供端到端延迟保障。该框架为全双工系统引入了一种动态、分布式策略，为半双工系统提出了一项启发式方法，证明了在路径拓扑网络中的最优性，并在仿真中表现出优于现有策略的性能。

ABSTRACT

Wireless sensor networks have been increasingly used for real-time surveillance over large areas. In such applications, it is important to support end-to-end delay constraints for packet deliveries even when the corresponding flows require multi-hop transmissions. In addition to delay constraints, each flow of real-time surveillance may require some guarantees on throughput of packets that meet the delay constraints. Further, as wireless sensor networks are usually deployed in challenging environments, it is important to specifically consider the effects of unreliable wireless transmissions. In this paper, we study the problem of providing end-to-end delay guarantees for multi-hop wireless networks. We propose a model that jointly considers the end-to-end delay constraints and throughput requirements of flows, the need for multi-hop transmissions, and the unreliable nature of wireless transmissions. We develop a framework for designing feasibility-optimal policies. We then demonstrate the utility of this framework by considering two types of systems: one where sensors are equipped with full-duplex radios, and the other where sensors are equipped with half-duplex radios. When sensors are equipped with full-duplex radios, we propose an online distributed scheduling policy and proves the policy is feasibility-optimal. We also provide a heuristic for systems where sensors are equipped with half-duplex radios. We show that this heuristic is still feasibility-optimal for some topologies.

研究动机与目标

• 解决在不可靠、具有挑战性的环境中部署的多跳无线传感器网络中提供端到端延迟保障的挑战。
• 联合建模严格的每包延迟约束、及时吞吐量要求、多跳路由以及不可靠的无线传输。
• 设计可行性最优的调度策略——若及时吞吐量要求可行，则能够满足所有要求。
• 将该框架扩展至全双工和半双工无线电系统，考虑不同的传输约束。

提出的方法

• 开发了一个统一的分析模型，以捕捉端到端延迟约束、及时吞吐量要求、多跳路由树以及不可靠无线信道行为。
• 基于动态规划原理，建立调度策略可行性最优性的充分条件。
• 提出一种在线、分布式、贪心转发的调度策略用于全双工系统，并证明其具有可行性最优性。
• 提出一种“最近传感器优先”启发式方法用于半双工系统，并证明其在路径拓扑网络中具有可行性最优性。
• 在仿真中使用延迟的债务信息，评估贪心转发策略在协调不完善情况下的鲁棒性。
• 采用网络计算与随机建模方法，分析在不可靠传输下的延迟与吞吐量性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种调度策略，以确保在具有不可靠信道的多跳无线传感器网络中满足端到端延迟和及时吞吐量要求？
• RQ2 在动态、分布式操作下，如何实现在全双工系统中的可行性最优性？
• RQ3 何种调度启发式方法可确保半双工系统中的可行性最优性，特别是在干扰约束下？
• RQ4 对流债务的延迟信息在多大程度上影响分布式调度策略的性能？
• RQ5 网络拓扑与干扰约束在多大程度上限制了标准调度策略的性能？

主要发现

• 所提出的全双工系统贪心转发策略具有可行性最优性，并在存在延迟债务信息（如每200个时隙更新一次）时仍保持近似最优性能。
• 半双工系统的“最近传感器优先”启发式方法在路径拓扑网络中被证明具有可行性最优性，优于随机与静态优先级策略。
• 随机与静态优先级策略在半双工系统中表现较差，受干扰约束影响，甚至无法满足较低的及时吞吐量要求（例如，α=0，β=0.05）。
• 仿真结果表明，所提策略的及时吞吐量区域显著大于现有策略，尤其在拓扑受限网络中表现更优。
• 该框架实现了动态、分布式调度，在定义的约束下既具有可处理性又具备最优性，验证了其实际应用价值。