Valutazione delle prestazioni di tecniche di inoltro collaborativo basata su modelli di ottimizzazione

In infrastructure-less wireless networks the exchange of information betweeen nodes that cannot comunicate directly can be achieved using intermediate nodes as relays to forward the traffic. The most widely adopted approach is based on hop-by-hop forwarding on a path to destination. Cooperative relaying brings cooperation to the physical layer using simultaneous transmissions from multiple sources to obtain a diversity gain at the receiver. Benefits of this technique have been quite well-analized from a transmission point of view, mostly considering a single source and destination. However the effects at the network layer of multiple concurrent flows have received little attention so far. It has been proved that the problem is computationally complex, that collaboration adds interference that limits resource reuse. Besides other parameters, such as network density and traffic volume, influence heavily its usefulness. We consider the problem of joint routing, scheduling and cooperative relaying with the objective of minimizing the time slots used in a frame. We provide two euristic algorithms to solve realistic size topologies and show in our tests that they produce near-optimal solutions in a small run time. Then we add power control to the optimization variables and extend the proposed algorithms to this case. Numerical results prove that, in addition to energy savings, power control reduces interference caused by cooperation making a more efficient spatial reuse and an additional reduction in frame size possible. Considering that network parameters can heavily influence results, our algorithms allow a quick evaluation of the improvements introduced by cooperative relaying in specific network scenarios.

Nelle reti completamente wireless la trasmissione di informazioni tra nodi che non possono comunicare direttamente tra loro viene garantita attraverso meccanismi collaborativi che sfruttano i nodi intermedi per realizzare un inoltro hop-by-hop a livello rete. L'inoltro cooperativo invece porta la collaborazione a livello fisico introducendo la trasmissione contemporanea dello stesso messaggio da più nodi per ottenere un guadagno di diversità in ricezione. I vantaggi ottenibili con questo approccio sono stati studiati ampiamente dal punto di vista trasmissivo soprattutto considerando comunicazioni isolate. Al contrario il suo impatto a livello di rete con molteplici flussi di traffico ha ricevuto fino ad ora attenzione limitata: è stato mostrato che il problema è computazionalmente complesso, che la collaborazione introduce dell'interferenza aggiuntiva che può ridurre il riuso spaziale e che alcuni parametri, quali densità della rete e volume di traffico, hanno un ruolo centrale nel determinarne l'utilità. Il nostro lavoro considera l'ottimizzazione congiunta della collaborazione, dell'instradamento delle domande di traffico e dello scheduling delle trasmissioni all'interno della trama con l'obiettivo di minimizzarne il numero di slot. Abbiamo prodotto degli algoritmi approssimati per risolvere reti di dimensioni reali e dalle prove riportate mostreremo che in tutti i casi considerati questi possono ottenere soluzioni entro pochi punti percentuali dall'ottimo in tempi ridotti. Inoltre abbiamo aggiunto il controllo di potenza tra le variabili di progetto ed esteso a questo scenario gli algoritmi proposti. I risultati numerici mostrano che il controllo di potenza, oltre ad assicurare un risparmio energetico, riduce l'interferenza aggiuntiva introdotta dalla collaborazione rendendo possibile un riuso più efficiente e ulteriori riduzioni della lunghezza di trama. Dato che i parametri della rete in analisi influenzano molto i risultati gli strumenti da noi proposti consentono una valutazione veloce dei benefici ottenibili con l'introduzione dell'inoltro collaborativo nei singoli casi.