[论文解读] 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 3

一句话总结

本文研究了在无线网络中使用干扰消除（IC）的最优链路激活问题，提出了并行（PIC）和连续（SIC）IC的整数线性规划（ILP）公式。结果表明，在低至中等SINR阈值下，SIC可将近乎两倍或三倍的链路同时激活，显著优于传统单用户解调（SUD）的频谱复用效率。

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.

研究动机与目标

• 研究在多用户解调结合干扰消除（IC）下的最优链路激活，突破传统单用户解调（SUD）的假设。
• 量化IC（特别是并行IC（PIC）和连续IC（SIC））相较于传统SUD在并发链路激活中的性能增益。
• 证明在PIC和SIC模型下，最优链路激活问题为NP难问题。
• 提出紧凑的整数线性规划（ILP）公式，以实现IC辅助链路激活的全局最优解计算。
• 评估网络拓扑、SINR阈值和消除阶段对IC性能增益的影响。

提出的方法

• 将SIC和PIC下的最优链路激活问题建模为紧凑的整数线性规划（ILP），利用标准求解器实现精确解的计算。
• 对干扰消除过程进行建模，使接收端可根据接收信号功率和SINR阈值，在解调目标信号前先解码并消除干扰信号。
• 提出一种多阶段SIC模型，每条链路最多允许T个消除阶段，每个阶段移除最强的可解码干扰源。
• 采用加权链路激活模型，其中链路权重反映其效用或数据速率，在满足SINR和IC约束下最大化总权重。
• 采用基于对偶的列生成方法作为对比基准，与标准调度框架保持一致。
• 在具有不同链路密度和SINR阈值的合成与真实网络拓扑（I和N数据集）上进行广泛的数值评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无线网络中，与传统SUD相比，干扰消除（PIC和SIC）如何提升同时激活的链路数量？
• RQ2 在SIC和PIC模型下，最优链路激活问题的计算复杂度如何？是否能通过精确方法高效求解？
• RQ3 SINR阈值和网络拓扑（稀疏与密集）如何影响IC的性能增益？
• RQ4 SIC中额外消除阶段的边际增益如何？其增益何时趋于可忽略？
• RQ5 PIC与SIC的性能相比如何？在何种条件下PIC可近乎等同于SIC？

主要发现

• 在低SINR阈值（如-9 dB）下，SIC可激活接近全部30条链路，而SUD激活的链路不足三分之一，表明活跃链路数量近乎翻倍或三倍。
• 在SINR阈值低于-6 dB时，SIC在密集网络中可激活几乎所有链路，而SUD激活的链路不足一半，表明频谱复用效率有显著提升。
• PIC在各种SINR阈值下提供相对稳定的增益，额外激活2至5条链路，且随着SINR升高，增益逐渐减小。
• 在SINR阈值高于3 dB时，所有方案（SUD、PIC、SIC）性能趋于一致，因为干扰功率不足，IC变得罕见。
• SIC的第一阶段消除带来最大性能增益，后续阶段增益递减，尤其在稀疏和中等规模网络中更为明显。
• 在具有异构SINR阈值的网络中（如{-6, -3, 3} dB），SIC可将近乎两倍的网络吞吐量，其中第一阶段贡献了约一半的增益。