[论文解读] TOFRA: Throughput Optimal Flow Rate Allocation with Bounded Delay for Random Access Wireless Mesh Networks

Manolis Ploumidis, Νικόλαος Παππάς+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2014

Mobile Ad Hoc Networks被引用 3

一句话总结

本文提出 TOFRA，一种用于随机接入无线网状网络的分布式流量分配方案，通过使用 SINR 模型建模干扰，以在确保有界延迟的同时最大化聚合吞吐量。在多种拓扑结构的仿真中，该方案优于轮询、仅最佳路径和最大流量分配方案。

ABSTRACT

In this paper, we consider random access, wireless, multi-hop networks, with multi-packet reception capabilities, where multiple flows are forwarded to the gateways through node disjoint paths. We explore the issue of allocating flow on multiple paths, exhibiting both intra- and inter-path interference, in order to maximize average aggregate flow throughput (AAT) and also provide bounded packet delay. A distributed flow allocation scheme is proposed where allocation of flow on paths is formulated as an optimization problem. Through an illustrative topology it is shown that the corresponding problem is non-convex. Furthermore, a simple, but accurate model is employed for the average aggregate throughput achieved by all flows, that captures both intra- and inter-path interference through the SINR model. The proposed scheme is evaluated through Ns2 simulations of several random wireless scenarios. Simulation results reveal that, the model employed, accurately captures the AAT observed in the simulated scenarios, even when the assumption of saturated queues is removed. Simulation results also show that the proposed scheme achieves significantly higher AAT, for the vast majority of the wireless scenarios explored, than the following flow allocation schemes: one that assigns flows on paths on a round-robin fashion, one that optimally utilizes the best path only, and another one that assigns the maximum possible flow on each path. Finally, a variant of the proposed scheme is explored, where interference for each link is approximated by considering its dominant interfering nodes only.

研究动机与目标

• 解决在具备多包接收能力的多跳、随机接入无线网状网络中最大化聚合流量吞吐量（AAT）的挑战。
• 管理通往网关的节点不相交路径上的路径内和路径间干扰。
• 在动态、多流无线场景中实现高吞吐量的同时确保有界分组延迟。
• 设计一种可扩展且适用于实际部署的分布式流量分配方案。
• 验证在非饱和队列条件下，简化版基于 SINR 的吞吐量模型的准确性。

提出的方法

• 将流量分配建模为非凸优化问题，以在干扰约束下最大化 AAT。
• 采用简化但准确的基于 SINR 的模型，捕捉对吞吐量产生影响的路径内和路径间干扰效应。
• 设计一种分布式算法，使每个节点基于本地干扰和信道条件独立计算流量分配。
• 通过仅考虑主导干扰节点来近似干扰，以降低方案变体中的计算复杂度。
• 使用 Ns2 仿真在真实、非饱和的流量条件下评估多种随机无线拓扑结构下的性能。
• 将 TOFRA 与四种基线方案进行比较：轮询路径分配、仅最佳路径利用和每条路径的最大流量分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多跳无线网状网络中，分布式流量分配方案是否能实现比传统路径分配策略更高的聚合吞吐量？
• RQ2 当放宽队列饱和假设时，简化版基于 SINR 的模型在预测聚合吞吐量方面是否具有足够准确性？
• RQ3 路径间干扰对流量吞吐量有何影响，如何有效建模并缓解该影响？
• RQ4 将干扰计算限制在主导干扰源是否能在降低复杂度的同时保持性能？
• RQ5 所提出的方案是否能在多种无线拓扑结构中实现最大吞吐量的同时维持有界延迟？

主要发现

• 基于 SINR 的模型在仿真场景中准确预测了聚合吞吐量，即使在不假设队列饱和的情况下也成立。
• 在大多数仿真拓扑中，TOFRA 实现的聚合吞吐量显著高于轮询、仅最佳路径和每条路径最大流量分配方案。
• 仅考虑主导干扰节点的 TOFRA 变体在降低计算开销的同时保持了高性能。
• 通过一个示例拓扑展示了流量分配问题的非凸性质，从而证明了需要采用启发式或近似解法。
• 所提出的方案有效平衡了吞吐量与延迟，在多条路径上实现最大流量聚合的同时确保了有界延迟。
• 仿真结果证实了该方法在广泛随机无线网络配置下的鲁棒性。