[论文解读] Multi-Broadcasting under the SINR Model

Sai Praneeth Reddy, Dariusz R. Kowalski+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2015

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 16被引用 9

一句话总结

本文提出了一种在SINR模型下、针对多跳无线网络的确定性分布式多播算法，通过几何嵌入实现，无需节点具备坐标信息。在最受限的场景下——节点仅知晓自身ID和邻居ID——实现了O((n+k)lg n)轮复杂度，这是SINR模型中首个无需位置信息的此类结果。

ABSTRACT

We study the multi-broadcast problem in multi-hop wireless networks under the SINR model deployed in the 2D Euclidean plane. In multi-broadcast, there are $k$ initial rumours, potentially belonging to different nodes, that must be forwarded to all $n$ nodes of the network. Furthermore, in each round a node can only transmit a small message that could contain at most one initial rumor and $O(\log n)$ control bits. In order to be successfully delivered to a node, transmissions must satisfy the (Signal-to-Inference-and-Noise-Ratio) SINR condition and have sufficiently strong signal at the receiver. We present deterministic algorithms for multi-broadcast for different settings that reflect the different types of knowledge about the topology of the network available to the nodes: (i) the whole network topology (ii) their own coordinates and coordinates of their neighbors (iii) only their own coordinates, and (iv) only their own ids and the ids of their neighbors. For the former two settings, we present solutions that are scalable with respect to the diameter of the network and the polylogarithm of the network size, i.e., $\log^c n$ for some constant $c> 0$, while the solutions for the latter two have round complexity that is superlinear in the number of nodes. The last result is of special significance, as it is the first result for the SINR model that does not require nodes to know their coordinates in the plane (a very specialized type of knowledge), but intricately exploits the understanding that nodes are implanted in the 2D Euclidean plane.

研究动机与目标

• 解决在SINR模型下、具有不同拓扑知识水平的多跳无线网络中的多播问题。
• 为节点知识有限（从完整拓扑到仅本地ID）的场景设计高效的确定性分布式算法。
• 在节点缺乏几何坐标但嵌入于二维欧几里得平面时，克服多源传播中的干扰挑战。
• 在部分知识场景下实现可扩展的轮复杂度，尤其在最小信息场景（仅知晓ID）下。

提出的方法

• 提出两阶段算法：BTD_Traversals，通过令牌消除与(N,c)-选择器构建广度优先后深度优先（BTD）树。
• 使用(N,c)-选择器在各阶段消除竞争传输，确保每轮后每个网格盒内仅剩一个活跃源。
• 通过同步欧拉回路构建BTD树，以实现协调的谣言汇聚与传播。
• 在BTD_MB的第二阶段采用基于栈的谣言转发机制，内部节点使用(N,c)-SSF调度转发谣言。
• 通过利用空间分离与干扰模式，隐式地利用二维平面的几何结构，而无需使用坐标。
• 通过基于欧拉回路的信号传递确保节点间同步，实现协调终止与一致的轮复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当节点仅知晓自身ID和邻居ID时，能否在SINR模型中实现确定性多播？
• RQ2 当无几何坐标可用时，SINR模型下多播的轮复杂度是多少？
• RQ3 当节点缺乏位置知识但嵌入于二维平面时，如何管理多源传播中的干扰？
• RQ4 能否仅通过本地ID信息与干扰感知调度，实现高效的分布式树构建与谣言传播？
• RQ5 在确定性SINR多播中，网络拓扑知识与轮复杂度之间的权衡是什么？

主要发现

• 本文首次提出在SINR模型下无需节点知晓坐标的确定性多播算法，实现了O((n+k)lg n)轮复杂度。
• 在具有完整拓扑知识的场景下，算法运行时间为O(D + k lg Δ)，其中D为网络直径，Δ为最大度数。
• 当节点知晓自身及邻居的坐标时，算法实现O(D lg²n + k lg Δ)轮复杂度。
• 在最小信息场景（仅知晓ID）下，算法仍通过隐式利用几何嵌入实现O((n+k)lg n)轮复杂度。
• 使用(N,c)-选择器与令牌消除可确保在O(lg n)轮后，无两个幸存源为邻居，从而实现安全传输。
• 通过同步欧拉回路构建的BTD树确保所有节点同时终止，并在整个协议过程中保持协调。