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无线自主网中的链路分配最优化算法

A Near-Optimal Optimization Algorithm for Link Assignment in Wireless Ad-Hoc Networks

  • 摘要: 随着通讯与计算技术的不断发展,无线自主网络正在发挥越来越重要的作用。无线自主网络的目标是使信息可以在“所有时间,所有地点”进行交互,它跟目前的蜂窝网络最大的区别在于,与蜂窝网络的集中式结构不同,无线自主网采用一种松散的,自组织的结构。这种结构使得无线自主网在许多应用中有菲常广阔的前景,例如端对端通信网络和传感器网络。 在无线自主网中,两个通讯单元之间只要信噪比足够大,都可以建立一条直接通讯的链路。考虑到无线通讯的能量消耗,不是所有的单元对之间都可以建立直接通讯链路,而是通过一些中继结点将数据包一步一步地从源结点传送到目的结点,并形成了我们所熟知的“多跳路由”结构。 在 无线自主网设计中有许多重要问题,其中一个就是如何优化物理层与数据链路层的资源(带宽,时间片等)分配算法,使得在满足网络层传输速率的同时可以减少整个网络的资源消耗。在 TDMA 介质访问控制协议中,传输过程被分为不同的离散时间片来完成,每个要传输数据包的链路分配一个特定时间片。一个对 TDMA 机制的有效改进方法是空分 TDMA 机制,它将无线结点之间的物理距离考虑在内,规定互相不干扰的通讯链路可以在相同的时间片内传输,从而减少了网络所需时间片的总量,从而提高了单位时间内可传输数据包的数量,即提高了整个网络的吞吐量( throughput )。于是,在目前 TDMA 机制的无线网络中,一个菲常重要的问题是,在空分 TDMA 机制下,给定路由信息与网络负载的条件 , 通过对 MAC 层进行链路调度来最大化多跳网络吞吐量。 此问题的难点在于, 由于其蕴含数学问题的复杂性,之前的研究工作对于实际规模的网络并不适用。绝大部分方法在网络中有 20 - 30 个结点, 100 - 200 条链路时就需要花几天甚至更多的时间来寻找最优调度。而这在实际应用中是完全不可行的。本文通过运筹学中的规划理论对此问题进行建模,利用改进后的 column generation 方法对网络吞吐量进行优化。实验结果表明此方法在实际规模的网络中也能在可控制时间内得到最优解。 本文的主要贡献体现在两个方面:第一,根据我们的调研,这是第一篇深入研究此问题的文章,并且通过 set covering 规划与 column generation 方法将其有效地解决;第二,我们提出了一些对 column generation 方法的有效改进,使其收敛性大大改善,进一步缩短了寻找最优调度所需时间。

     

    Abstract: Over the past few years, wireless networking technologies have made vast forays in our daily lives. Inwireless ad-hoc networks, links are set up by a number of units without any permanent infrastructures. In this paper, the resource optimization is considered to maximize the network throughput by efficiently using the network capacity, where multi-hop functionality and spatial TDMA (STDMA) access scheme are used. The objective is to find the minimum frame length with given traffic distributions and corresponding routing information. Because of the complex structure of the underlying mathematical problem, previous work and analysis become intractable for networks of realistic sizes. The problem is addressed through mathematical programming approach, the linear integer formulation is developed for optimizing the network throughput, and then the similarity between the original problem and the graph edge coloring problem is shown through the conflict graph concept. A column generation solution is proposed and several enhancements are made in order to fasten its convergence. Numerical results demonstrate that the theoretical limit ofthe throughput can be efficiently computed for networks of realistic sizes.

     

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