[論文レビュー] Guard Zones and the Near-Far Problem in DS-CDMA Ad Hoc Networks

Don Torrieri, Matthew C. Valenti|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2012

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ひとこと要約

本稿は、DS-CDMAアドホックネットワークにおける近端干渉問題を軽減するため、排除領域（exclusion zones）とCSMAガードゾーン（CSMA guard zones）を分析する。有限で均一にクラスタリングされたネットワークモデルを用い、Nakagami fadingとモンテカルロシミュレーションを適用した結果、処理利得が高くなるほど、CSMAガードゾーンはわずかなアウトージ確率の改善しか得られず、伝送容量が著しく低下するのに対し、排除領域は伝送容量が優れていることが示された。

ABSTRACT

The central issue in direct-sequence code-division multiple-access (DS-CDMA) ad hoc networks is the prevention of a near-far problem. This paper considers two types of guard zones that may be used to control the near-far problem: a fundamental exclusion zone and an additional CSMA guard zone that may be established by the carrier-sense multiple-access (CSMA) protocol. In the exclusion zone, no mobiles are physically present, modeling the minimum physical separation among mobiles that is always present in actual networks. Potentially interfering mobiles beyond a transmitting mobile's exclusion zone, but within its CSMA guard zone, are deactivated by the protocol. This paper provides an analysis of DS-CSMA networks with either or both types of guard zones. A network of finite extent with a finite number of mobiles is modeled as a uniform clustering process. The analysis uses a closed-form expression for the outage probability in the presence of Nakagami fading, conditioned on the network geometry. By using the analysis developed in this paper, the tradeoffs between exclusion zones and CSMA guard zones are explored for DS-CDMA and unspread networks.

研究の動機と目的

• 集中型パワー制御を用いないDS-CDMAアドホックネットワークにおける近端干渉問題の解決を目的とする。
• 無限の移動局と均一なクラスタリングを持つ現実的で有限のネットワークをモデル化し、確率的幾何学的仮定を避ける。
• ネットワーク性能に与える影響を比較するため、物理的分離による排除領域（物理的分離）とプロトコルベースの遮断によるCSMAガードゾーン（プロトコルベースの非活性化）のトレードオフを評価する。
• モンテカルロ法を用いてNakagami fadingとシャドウイング下での伝送容量とアウトージ確率を定量的に評価する。
• さまざまなガードゾーン設定とネットワークパラメータ下で、DS-CDMAと非拡散システムの性能を比較する。

提案手法

• 移動局数Mが有限で、均一に境界付き領域内に配置された有限なアドホックネットワークをモデル化し、均一なクラスタリングプロセスを用いる。
• 2種類のガードゾーンを導入する：排除領域（r_ex）は物理的に移動局が存在しない領域であり、CSMAガードゾーン（r_g）はRTS/CTSハンドシェイクにより干渉源が非活性化される領域である。
• ネットワークの幾何構造とNakagami-mフェージングに条件づけられたアウトージ確率の閉形式表現を用い、シャドウイングを組み込む。
• 直接フェージング係数を生成するのを避けるために、空間平均アウトージ確率と伝送容量（TC）をモンテカルロシミュレーションで計算する。
• 送信機距離、ガードゾーン半径、干渉源数、処理利得（G_e）を変数として、伝送容量（TC）を評価する。
• ガードゾーンおよび干渉条件を変化させた状況下で、DS-CDMA（G_e = 48）と非拡散（G_e = 1）システムを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 排除領域とCSMAガードゾーンは、DS-CDMAアドホックネットワークにおける伝送容量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 排除領域による高いアクティブ移動局数の維持と、CSMAゾーンによる干渉抑制の間には、どのようなトレードオフが生じるか？
• RQ3 送信機受信機距離の増加は、伝送容量およびアウトージ確率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 干渉源数の増加は、ガードゾーン有無に関わらず、DS-CDMAと非拡散システムの性能向上にどのように寄与するか？
• RQ5 CSMAガードゾーンが容量コストに対して顕著なアウトージ確率改善をもたらす条件は何か？

主な発見

• 排除領域は、アクティブ干渉源数を減らさないため、CSMAガードゾーンよりも高い伝送容量を達成する。
• 送信機受信機距離が延長するにつれて、近接干渉源が増加するため伝送容量は低下するが、DS-CDMAでは非拡散システムよりも劣化が緩やかである。
• 処理利得が高くなる（G_e = 48）と、CSMAガードゾーンは容量低下の代償を支えるわずかなアウトージ確率改善しか得られない。
• 排除ゾーンなしのDS-CDMAでは、干渉源数（M）が増加するにつれて伝送容量は概ね線形に増加するが、ガードゾーンありまたは非拡散システムでは非線形に増加する。
• M = 60の場合、非拡散ネットワークのCSMAガードゾーン有無での伝送容量はほぼ同一であり、収穫逓減の兆候が見られる。
• ガードゾーンが存在しない、または最小限の状況では、DS-CDMAと非拡散システムの性能差が顕著に現れ、特に大きな排除領域がある場合に顕著である。