[論文レビュー] On the Throughput Maximization in Dencentralized Wireless Networks

Jamshid Abouei, Alireza Bayesteh+2 more|ArXiv.org|Oct 14, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 37被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、K本のリンク、Mクラスタ（直交サブチャンネル）およびシャドウフェイディングモデルを用いた分散型無線ネットワークにおいて、分散的で反復処理を要しない電力割り当て戦略を提案する。最大ネットワークスルーレート（平均合計レートまたは保証スルーレート）がΘ(log K)にスケーリングすることを証明し、強い干渉下ではオンオフ電力割り当て方式を用いることでM=1のときが最大スルーレートを達成することを示す。

ABSTRACT

A distributed single-hop wireless network with $K$ links is considered, where the links are partitioned into a fixed number ($M$) of clusters each operating in a subchannel with bandwidth $\frac{W}{M}$. The subchannels are assumed to be orthogonal to each other. A general shadow-fading model, described by parameters $(α,\varpi)$, is considered where $α$ denotes the probability of shadowing and $\varpi$ ($\varpi \leq 1$) represents the average cross-link gains. The main goal of this paper is to find the maximum network throughput in the asymptotic regime of $K o \infty$, which is achieved by: i) proposing a distributed and non-iterative power allocation strategy, where the objective of each user is to maximize its best estimate (based on its local information, i.e., direct channel gain) of the average network throughput, and ii) choosing the optimum value for $M$. In the first part of the paper, the network hroughput is defined as the extit{average sum-rate} of the network, which is shown to scale as $Θ(\log K)$. Moreover, it is proved that in the strong interference scenario, the optimum power allocation strategy for each user is a threshold-based on-off scheme. In the second part, the network throughput is defined as the extit{guaranteed sum-rate}, when the outage probability approaches zero. In this scenario, it is demonstrated that the on-off power allocation scheme maximizes the throughput, which scales as $\frac{W}{α\varpi} \log K$. Moreover, the optimum spectrum sharing for maximizing the average sum-rate and the guaranteed sum-rate is achieved at M=1.

研究の動機と目的

• K本のリンクと限られたスケールのスペクトルを有する大規模な分散型無線ネットワークにおけるネットワークスルーレートの最大化。
• 大規模ネットワークにおける集中型リソース割り当ての現実的でない点を踏まえ、分散的で反復処理を要しない電力制御戦略の開発。
• シャドウフェイディング下で平均および保証スルーレートを最大化する最適なサブチャンネル数Mの特定。
• スルーレートがKに従って対数的にスケーリングすること、および平均および保証スルーレートの両制度でM=1が最大スルーレートを達成することの確立。

提案手法

• K本の単一ホップリンクからなる無線ネットワークをM個のクラスタに分割し、各クラスタが帯域幅W/Mの直交サブチャンネルを使用するモデルを構築する。
• パラメータ(α, ϖ)を有する一般化されたシャドウフェイディングモデルを用い、αはシャドウフェイディング確率、ϖは平均クロスリンクゲインを表す。
• 各ユーザーが自らの局所的な直接チャネルゲインに基づいて電力を設定し、ネットワークスルーレートの推定値を最大化する分散的で反復処理を要しない電力割り当て戦略を提案する。
• 2つのスルーレート指標を分析する：(1) 平均合計レート、および(2) オフライン確率が0に近づく場合の保証スルーレート。
• 確率的幾何学および極値解析を用いて、K→∞の下での漸近的スルーレートスケーリング則を導出する。
• 強い干渉状況ではオンオフ電力割り当て方式を用い、両スルーレート定義下でスルーレートを最大化することを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K本のリンクを有する分散型無線ネットワークにおいて、ネットワークスルーレートを最大化する最適なサブチャンネル数Mは何か？
• RQ2 一般化されたシャドウフェイディングモデル下で、K→∞の下でのネットワークスルーレートの漸近的スケーリングはどのように変化するか？
• RQ3 局所的なチャネル知識に基づく分散的で反復処理を要しない電力割り当て戦略は、最適または近似的最適なスルーレートを達成できるか？
• RQ4 平均合計レートと保証スルーレートの両制度において、最適なスペクトル共有（M）に根本的な差異はあるか？
• RQ5 オンオフ電力割り当て方式は強い干渉状況でスルーレートを最大化するのか？ もしそうならば、その理由は何か？

主な発見

• 平均合計レートは、K→∞の漸近的制度において、MにかかわらずΘ(log K)にスケーリングする。
• 保証スルーレートに関しては、最大スルーレートは(W/(αϖ)) log Kにスケーリングし、オンオフ電力割り当て方式を用いることで達成される。
• 平均合計レートおよび保証スルーレートの両制度において、最適なスペクトル共有はM=1で達成され、これは1つのクラスタが全帯域幅を使用すべきであることを意味する。
• オンオフ電力割り当て戦略は、スルーレート関数の極値解析により、強い干渉状況下でスルーレートを最大化することが証明された。
• シャドウフェイディングがない場合（α=0）には、平均合計レートはMの単調減少関数となり、M=1がスルーレートを最大化することが確認される。
• 漸近的解析により、M=K（つまり、各リンクが別個のサブチャンネルを使用する場合）には、平均合計レートがW(log K − log(N₀W) − γ)に近づくことが示され、対数的スケーリングが確認された。