[論文レビュー] On Optimal Link Activation with Interference Cancellation in Wireless Networking

Di Yuan, Vangelis Angelakis+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、干渉キャンセレーション（IC）を用いた無線ネットワークにおける最適リンク活性化を調査し、並列（PIC）および逐次（SIC）ICの両方について整数線形計画法（ILP）の定式化を提案する。SICは低〜中程度のSINR閾値において、同時に活性化可能なリンク数をほぼ2倍から3倍に増加させられ、従来の単一ユーザー検出（SUD）と比較して空間再利用性が顕著に向上することを示している。

ABSTRACT

A fundamental aspect in performance engineering of wireless networks is optimizing the set of links that can be concurrently activated to meet given signal-to-interference-and-noise ratio (SINR) thresholds. The solution of this combinatorial problem is the key element in scheduling and cross-layer resource management. Previous works on link activation assume single-user decoding receivers, that treat interference in the same way as noise. In this paper, we assume multiuser decoding receivers, which can cancel strongly interfering signals. As a result, in contrast to classical spatial reuse, links being close to each other are more likely to be active simultaneously. Our goal here is to deliver a comprehensive theoretical and numerical study on optimal link activation under this novel setup, in order to provide insight into the gains from adopting interference cancellation. We therefore consider the optimal problem setting of successive interference cancellation (SIC), as well as the simpler, yet instructive, case of parallel interference cancellation (PIC). We prove that both problems are NP-hard and develop compact integer linear programming formulations that enable us to approach the global optimum solutions. We provide an extensive numerical performance evaluation, indicating that for low to medium SINR thresholds the improvement is quite substantial, especially with SIC, whereas for high SINR thresholds the improvement diminishes and both schemes perform equally well.

研究の動機と目的

• マルチユーザー検出と干渉キャンセレーション（IC）を用いた最適リンク活性化を研究し、従来の単一ユーザー検出（SUD）の仮定を越えること。
• 従来のSUDと比較して、IC（特に並列（PIC）および逐次（SIC）干渉キャンセレーション）が同時リンク活性化においてもたらす性能向上を定量すること。
• PICおよびSICモデル下での最適リンク活性化問題のNP困難性を証明すること。
• IC支援リンク活性化のグローバル最適解を計算可能にする、コンactな整数線形計画法（ILP）定式化を開発すること。
• ネットワークトポロジー、SINR閾値、キャンセレーション段階がICの性能向上に与える影響を評価すること。

提案手法

• SICおよびPIC下での最適リンク活性化問題を、標準的なソルバーを用いて正確な解を計算可能なコンactな整数線形計画法（ILP）として定式化する。
• 受信電力とSINR閾値に基づき、受信機が目的信号を復調する前に干渉信号を復調・除去できるように、干渉キャンセレーションプロセスをモデル化する。
• SIC用のマルチ段階キャンセレーションモデルを導入し、各リンクに対して最大T段階のキャンセレーションが許可され、各段階で最も強い復調可能な干渉源が除去される。
• リンクの重みが利得やデータレートを反映する重み付きリンク活性化モデルを採用し、SINRおよびIC制約下で総重みを最大化する。
• 比較のためのベンチマークとして、標準的なスケジューリングフレームワークに整合する、ベースとなる列生成法（column generation）を用いる。
• 合成および実世界のトポロジー（IおよびNデータセット）を用いた広範な数値評価を実施し、リンク密度やSINR閾値の変動に応じた評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無線ネットワークにおいて、干渉キャンセレーション（PICおよびSIC）は従来のSUDと比較して、同時に活性化可能なリンク数をどの程度向上させるか？
• RQ2 SICおよびPIC下での最適リンク活性化問題の計算複雑度は何か？ また、正確な手法を用いて効率的に解けるか？
• RQ3 SINR閾値およびネットワークトポロジー（スパarses vs. dense）は、ICによる性能向上にどのように影響を与えるか？
• RQ4 SICにおける追加のキャンセレーション段階の限界的利得は何か？ また、どの時点で利得が無視できるほど小さくなるか？
• RQ5 PICとSICの性能はどのように比較されるか？ どのような条件下でPICはSICにほぼ同等の性能を示すか？

主な発見

• 低SINR閾値（例：-9 dB）では、SICは30リンクのほぼすべてを活性化できるが、SUDでは1/3未満にとどまるため、活性リンク数がほぼ3倍に増加することが示された。
• -6 dB未満のSINR閾値では、SICは密なネットワークにおいてほぼすべてのリンクを活性化できる一方、SUDでは半分未満にとどまるため、空間再利用性の顕著な向上が確認された。
• PICはさまざまなSINR閾値において、2〜5件の追加活性リンクを一定に提供するが、SINRが上昇するにつれて利得は減少する。
• SINR閾値が3 dBを超えると、SUD、PIC、SICのすべての手法が性能で収束する。これは、干渉電力が復調に十分でないためICが希少になるためである。
• SICの最初のキャンセレーション段階が最大の性能向上をもたらし、追加の段階では利得が次第に減少する。特にスパarsesおよび中程度のネットワークでは顕著である。
• 異種SINR閾値（例：{-6, -3, 3} dB）を持つネットワークでは、SICがネットワークスループットをほぼ2倍に増加させることができ、最初の段階が全体の約半分の利得をもたらした。