Employing Mixed-Integer Rounding in Telecommunication Network Design

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:0297-zib-10023
  • In dieser Diplomarbeit werden grundlegende Probleme der kostenoptimalen Dimensionierung von Telekommunikationsnetzwerken untersucht. Diese werden als lineare gemischt ganzzahlige Programme formuliert, wobei sich in der Modellierung auf die Konzepte Routing und Kapazitätszuweisung beschränkt wird. Es werden parallel drei übliche, aus der Praxis motivierte Möglichkeiten behandelt, die auf gerichteten oder ungerichteten Kanten eines Netzwerkes installierte Kapazität zu nutzen. Diese unterscheiden wir als DIrected, BIdirected und UNdirected. Die studierten Probleme treten als Relaxierungen vieler realistischer Fragestellungen der Netzwerkoptimierung auf. Sie enthalten elementare Strukturen, deren Studium ausschlaggebend ist für das Verständnis komplexerer Modelle. Letztere können zusätzliche Erfordernisse berücksichtigen, wie zum Beispiel die Ausfallsicherheit von Netzwerken. Zur Lösung solcher NP-schweren Optimierungsprobleme werden erfolgreich Branch & Bound und Schnittebenenverfahren kombiniert (Branch & Cut). Für die Wirksamkeit dieser Algorithmen ist es sehr nützlich, möglichst genaue Kenntnisse der Struktur der Seitenflächen der zugrundeliegenden Polyeder zu haben, welche die konvexe Hülle der Lösungsmenge beschreiben. Es sind starke gültige Ungleichungen zu finden, welche hochdimensionale Seitenflächen oder sogar Facetten definieren. Diese sollten zudem schnell separiert werden können und die numerische Stabilität der Algorithmen möglichst nicht beeinflussen. Diese Arbeit beschäftigt sich im Wesentlichen mit der sehr allgemeinen Rundungstechnik Mixed- Integer Rounding (MIR) zur Verstärkung gültiger Ungleichungen unter Verwendung der Ganzzahligkeitsnebenbedingungen. Es wird eine MIR-Prozedur motiviert, bestehend aus den Schritten Aggregieren, Substituieren, Komplementieren und Skalieren, welche durch Ausnutzung der Struktur der gegebenen Parameter zu einer gültigen Basisungleichung führt, die dann durch MIR eine starke und oft facetten-induzierende Ungleichung gibt. Es werden verschieden Klassen solcher Ungleichungen untersucht und auf ihre Praxistauglichkeit beim Einsatz in Branch & Cut-Verfahren getestet. Nach einer kurzen Einführung werden in Kapitel 2 die für uns in dieser Diplomarbeit relevanten Probleme definiert. Kapitel 3 gibt eine ausführliche Übersicht über die Technik MIR.Wir beschäftigen uns vor allen Dingen mit den Begriffen Superadditivität und Lifting und behandeln Aspekte wie Numerik und beschränkte Variablen. Kapitel 4 und Kapitel 5 umfassen Untersuchungen zu so genannten cut sets. Diese Polyeder werden durch Schnitte in Netzwerken definiert und relaxieren die von uns behandelten Probleme. Hauptsächlich durch MIR entwickeln wir sowohl neue als auch bekannte Klassen von facetten-definierenden Ungleichungen für cut sets, wobei strukturelle Unterschiede herausgearbeitet werden, die durch die drei verschiedenen Typen der Kapzitätsbereitstellung und durch beschränkte Variablen entstehen. Als ein zentrales Resultat wird bewiesen unter welchen Bedingungen facetten-induzierende Ungleichungen für cut sets auch Facetten der zugehörigen relaxierten Polyeder sind. Im Kapitel 6 geben wir weitere Typen von MIR-Ungleichungen an, die auf anderen Netzwerkstrukturen basieren und weisen ferner auf offene Fragen sowie interessante Ideen hin. Das Kapitel 7 widmet sich schließlich der Entwicklung und Implementation von Separationsalgorithmen. Wir testen einige der entwickelten Ungleichungsklassen mit Hinblick auf Ihre Wirksamkeit zur Lösung von realistischen Problemen der Netzwerkdimensionierung aus der Telekommunikation und diskutieren die Ergebnisse.

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Metadaten
Author:Christian Raack
Document Type:Master's Thesis
Publishing Institution:Zuse Institute Berlin (ZIB)
Date of first Publication:2005/12/31