[論文レビュー] Improved Capacity Scaling in Wireless Networks With Infrastructure

WY Shin, Jeon Sw+5 more|Nov 5, 2008

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、大規模な無線ネットワークにおけるスループットスケーリングの向上を目的として、複数素子アンテナを備えた基地局（BS）を活用したインfraストラクチャー支援型シングルホップ（ISH）およびマルチホップ（IMH）ルーティングプロトコルを提案する。空間多重とアンテナ数およびBS密度の増加による信号対雑音比（SNR）の向上を活用することで、拡張ネットワークにおいて順序最適な線形スループットスケーリングを達成する。これは、従来のマルチホップおよび階層的協調方式を上回る性能を示す。特に、ネットワークサイズに応じてBSとアンテナ数をスケーリングする場合に顕著である。

ABSTRACT

This paper analyzes the impact and benefits of infrastructure support in improving the throughput scaling in networks of $n$ randomly located wireless nodes. The infrastructure uses multi-antenna base stations (BSs), in which the number of BSs and the number of antennas at each BS can scale at arbitrary rates relative to $n$. Under the model, capacity scaling laws are analyzed for both dense and extended networks. Two BS-based routing schemes are first introduced in this study: an infrastructure-supported single-hop (ISH) routing protocol with multiple-access uplink and broadcast downlink and an infrastructure-supported multi-hop (IMH) routing protocol. Then, their achievable throughput scalings are analyzed. These schemes are compared against two conventional schemes without BSs: the multi-hop (MH) transmission and hierarchical cooperation (HC) schemes. It is shown that a linear throughput scaling is achieved in dense networks, as in the case without help of BSs. In contrast, the proposed BS-based routing schemes can, under realistic network conditions, improve the throughput scaling significantly in extended networks. The gain comes from the following advantages of these BS-based protocols. First, more nodes can transmit simultaneously in the proposed scheme than in the MH scheme if the number of BSs and the number of antennas are large enough. Second, by improving the long-distance signal-to-noise ratio (SNR), the received signal power can be larger than that of the HC, enabling a better throughput scaling under extended networks. Furthermore, by deriving the corresponding information-theoretic cut-set upper bounds, it is shown under extended networks that a combination of four schemes IMH, ISH, MH, and HC is order-optimal in all operating regimes.

研究の動機と目的

• 大規模無線ネットワークにおけるスループットスケーリングに与えるインfraストラクチャー支援（特に複数素子アンテナを備えた基地局（BS））の影響を分析すること。
• ノード数に対して基地局数および1台あたりのアンテナ数をどのようにスケーリングするかがネットワーク容量に与える影響を調査すること。
• スペクトル効率およびスループットスケーリングの向上を図るため、インfraストラクチャーを活用した新しいルーティングプロトコル（ISHおよびIMH）の設計と評価を行うこと。
• 密なネットワークおよび拡張ネットワークの両状態において、提案手法と従来方式（マルチホップおよび階層的協調）を比較すること。
• 情報理論的カットセット上限を導出し、すべての運用状態において組み合わせ的性能が順序最適であることを確立すること。

提案手法

• 複数の送信元が複数アクセス上行リンクを介して同時にBSに送信し、ブロードキャスト下行リンクでデータを受信するインfraストラクチャー支援型シングルホップ（ISH）プロトコルを導入する。
• 有線バックホールリンクの高容量性と無線ノード間のマルチホップルーティングを組み合わせたインfraストラクチャー支援型マルチホップ（IMH）プロトコルを提案する。
• ノード位置が単位面積内で一様にランダムに配置される条件下で、密なネットワークと拡張ネットワークの両モデルにおけるスループットスケーリングを分析する。
• 情報理論的カットセット境界を用いて、実現可能なスループットの上限を導出し、根本的限界を確立する。
• 確率的電力伝送モデルと確率的幾何学的手法を用い、干渉およびパスロス（特にパスロス指数αを有する拡張ネットワーク）を制限する。
• 正則化されたネットワーク変換およびレイヤー別距離近似を用い、すべての送信元ノードから各BSへの合計受信電力を上界で評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダムに配置されたノードを有する大規模無線ネットワークにおいて、複数素子アンテナを備えた基地局の導入が、実現可能なスループットスケーリングに与える影響は何か？
• RQ2 拡張ネットワークにおいて線形スループットスケーリングを達成するための最適なBS密度および1台あたりのアンテナ数のスケーリング法は何か？
• RQ3 インfraストラクチャーに基づくプロトコルは、従来のマルチホップおよび階層的協調方式に比べ、スループットスケーリングの向上を達成できるか？
• RQ4 インフラストラクチャー支援型無線ネットワークの根本的容量限界は何か？また、提案手法は順序最適か？
• RQ5 パスロス指数αおよびネットワークジオメトリが、インfraストラクチャー支援による性能向上に与える影響は何か？

主な発見

• 密なネットワークでは、提案されたISHおよびIMHプロトコルが線形スループットスケーリングを達成し、従来のマルチホップ方式と同等の性能を示す。
• 拡張ネットワークでは、空間多重性の向上と長距離での信号対雑音比（SNR）の向上により、ISHおよびIMHプロトコルが従来のマルチホップおよび階層的協調方式を著しく上回る。
• BS数およびアンテナ数がnに適切にスケーリングされる条件下で、ISHプロトコルは任意のε > 0に対してΘ(n^{1−ε})のスループットスケーリングを達成する。
• IMHプロトコルは、BS数およびアンテナ数がnにスケーリングされる場合、拡張ネットワークでΘ(n^{1−ε})のスループットスケーリングを達成し、空間再利用性の向上と干渉の低減を実現する。
• カットセット上限解析により、ISH、IMH、MH、HC方式の組み合わせが、すべてのネットワーク状態において順序最適であることが確認された。
• パスロス指数α > 3の場合、スループットスケーリングはO(n / √l ⋅ (ml/n)^{α/2} log n)で上限付けられ、アンテナ数lの増加によりパスロスの影響を緩和でき、性能向上が図れる。