[論文レビュー] The effect of fading, channel inversion, and threshold scheduling on ad hoc networks

Steven Weber, Jeffrey G. Andrews+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2007

Cooperative Communication and Network Coding被引用数 30

ひとこと要約

本稿は、確率的幾何学を用いて、 fading、チャネル逆転、しきい値ベースのスケジューリングが、アドホックネットワークの伝送容量（TC）に与える影響を調査する。完全に分散型のしきい値スケジューリング方式を提案し、送信機がチャネル品質がしきい値を超える場合にのみ送信するようにすることで、ランダム送信と比較して伝送容量が最大3倍にまで向上する。一方、チャネル逆転は個々のリンクの性能を向上させるが、全体の容量を悪化させる。

ABSTRACT

This paper addresses three issues in the field of ad hoc network capacity: the impact of i)channel fading, ii) channel inversion power control, and iii) threshold-based scheduling on capacity. Channel inversion and threshold scheduling may be viewed as simple ways to exploit channel state information (CSI) without requiring cooperation across transmitters. We use the transmission capacity (TC) as our metric, defined as the maximum spatial intensity of successful simultaneous transmissions subject to a constraint on the outage probability (OP). By assuming the nodes are located on the infinite plane according to a Poisson process, we are able to employ tools from stochastic geometry to obtain asymptotically tight bounds on the distribution of the signal-to-interference (SIR) level, yielding in turn tight bounds on the OP (relative to a given SIR threshold) and the TC. We demonstrate that in the absence of CSI, fading can significantly reduce the TC and somewhat surprisingly, channel inversion only makes matters worse. We develop a threshold-based transmission rule where transmitters are active only if the channel to their receiver is acceptably strong, obtain expressions for the optimal threshold, and show that this simple, fully distributed scheme can significantly reduce the effect of fading.

研究の動機と目的

• 送信機と受信機の距離がランダムである状況下での、フェージングの影響を伝送容量（TC）を指標として定量的に評価すること。
• 局所的チャネル状態情報（CSI）がネットワーク容量に与える影響を、特にチャネル逆転としきい値ベースのスケジューリングを通じて評価すること。
• 相互の送信機間の調整なしにCSIを活用する完全に分散型のスケジューリング方策を考案し、TCを最大化すること。
• さまざまなフェージング条件下で、ランダム送信、チャネル逆転、しきい値ベースのスケジューリングの性能を比較すること。
• ポアソン点過程モデルと確率的幾何学を用いて、アウトージ確率および伝送容量のタイトな解析的境界を導出すること。

提案手法

• 平面上の均一なポアソン点過程として、送信機と受信機を配置するアドホックネットワークをモデル化する。
• 伝送容量（TC）を主な指標とし、指定されたアウトージ確率（OP）制約下での成功送信の空間的密度の最大値として定義する。
• 確率的幾何学を用いて、信号対インタリーフェアランス比（SIR）分布の漸近的タイトな境界を導出し、正確なTCおよびOP解析を可能にする。
• 送信機がチャネル利得が事前に定義されたしきい値を超える場合にのみ送信するという、しきい値ベースのスケジューリングルールを導入し、マルチユーザー多様性を活用する。
• SIR分布の逆累積分布関数を用いて、しきい値スケジューリングの最適しきい値を導出する。
• 3つの方式を比較する：ランダム送信、チャネル逆転、しきい値ベースのスケジューリング。フェージングの3つのシナリオを検討する：対数正規シャドウイング、レイリーフェージング、および最近接距離。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CSIが利用できない状況下で、フェージング（例：レイリーまたは対数正規）がアドホックネットワークの伝送容量に与える影響は何か？
• RQ2 弱いリンクの性能向上に寄与するが、全体のネットワーク容量を低下させるチャネル逆転電力制御の影響は何か？
• RQ3 ローカルCSIに依存する分散型でスケーラブルなスケジューリングにより、ネットワーク容量を著しく向上させられるか？
• RQ4 伝送容量の最適しきい値は、アウトージ確率や路損失などのネットワークパラメータにどのように依存するか？
• RQ5 単純で分散型のしきい値スケジューリングによって、フェージングの悪影響を相殺するためのマルチユーザー多様性をどれほど活用できるか？

主な発見

• CSIが利用できない状況では、フェージングが伝送容量を著しく低下させ、ランダム送信はチャネル変動下で性能が著しく劣る。
• チャネル逆転電力制御は公平性を向上させ、弱いリンクの性能を改善するが、支配的干渉源による干渉が増加するため、全体のネットワーク容量を低下させる。
• 送信機が受信機とのチャネルが十分に良好である場合にのみ送信するしきい値ベースのスケジューリングにより、ランダム送信と比較して伝送容量を最大3倍に向上できる。
• 最適しきい値は解析的に導出され、特に距離やフェージングの変動が大きい状況でTCを最大にするのに特に有効であることが示された。
• 対数正規、レイリー、最近接距離の3つのケースすべてにおいて、しきい値スケジューリングは顕著に高いピーク容量を達成し、ランダム送信と比較して、ピークに到達するためのアウトージ確率もはるかに低かった。
• アウトージ確率および伝送容量の境界は漸近的にタイトであり、実用的なネットワーク設計における解析的フレームワークの妥当性が裏付けられた。