[論文レビュー] Two-Way Transmission Capacity of Wireless Ad-hoc Networks

Rahul Vaze, Kien T. Truong+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、周波数分割多重（FDD）システムにおける双方向通信で、非対称なレート要件を有するトラフィックを考慮した、無線アドホックネットワークの二方向伝送容量フレームワークを導入する。二方向伝送容量のタイトな上限および下限を導出し、特に非対称トラフィックにおいて比例的割り当てを上回る最適な帯域幅割り当て戦略を同定するとともに、ビームフォーミングシステムにおける制限付きフィードバックによる容量損失を定量的に評価する。

ABSTRACT

The transmission capacity of an ad-hoc network is the maximum density of active transmitters per unit area, given an outage constraint at each receiver for a fixed rate of transmission. Most prior work on finding the transmission capacity of ad-hoc networks has focused only on one-way communication where a source communicates with a destination and no data is sent from the destination to the source. In practice, however, two-way or bidirectional data transmission is required to support control functions like packet acknowledgements and channel feedback. This paper extends the concept of transmission capacity to two-way wireless ad-hoc networks by incorporating the concept of a two-way outage with different rate requirements in both directions. Tight upper and lower bounds on the two-way transmission capacity are derived for frequency division duplexing. The derived bounds are used to derive the optimal solution for bidirectional bandwidth allocation that maximizes the two-way transmission capacity, which is shown to perform better than allocating bandwidth proportional to the desired rate in both directions. Using the proposed two-way transmission capacity framework, a lower bound on the two-way transmission capacity with transmit beamforming using limited feedback is derived as a function of bandwidth, and bits allocated for feedback.

研究の動機と目的

• 双方向通信の異なる方向におけるレート要件を考慮し、二方向無線アドホックネットワークへの伝送容量の概念を拡張すること。
• 相関する干渉の影響をモデル化・分析し、両方向の通信成功が相互に依存する二方向通信における影響を評価すること。
• レイノルズフェージングおよびポアソン点過程によるノード分布を仮定した周波数分割多重（FDD）環境下で、二方向伝送容量のタイトな上限および下限を導出すること。
• 特に非対称トラフィック状況を想定し、二方向伝送容量を最大化する最適な帯域幅割り当て戦略を特定すること。
• ジェイン・エイデッド（ジェイン・エイデッド）フィードバックに比べ、制限付きフィードバックビームフォーミングを用いる場合の二方向伝送容量の性能損失を定量すること。

提案手法

• 送信機の位置をポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、上行リンクと下行リンクの別々の周波数帯で独立したレイノルズフェージングを仮定する。
• 両方向同時成功確率のタイトな上限および下限を導出し、これらが定数のみで差異を示すことを示し、正確な容量特徴付けを可能にする。
• 確率的幾何学的手法および点過程理論のツールを用いて干渉分布を分析し、伝送容量の閉形式での境界を導出する。
• 単一変数の凸最適化問題を解くことで、二方向伝送容量を最大化する最適な帯域幅割り当てを求める。
• フィードバックの制限がビームフォーミングに与える影響を分析し、フィードバックビット数と帯域幅の関数として二方向伝送容量の下限を導出する。
• パスロス指数α=4および距離d=5mなどのパラメータを用いて、ワンウェイネットワーク研究で標準的に行われる手法に従い、理論的境界の妥当性をシミュレーションで検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 両方向通信が成功しなければならない場合、アドホックネットワークの二方向伝送容量はワンウェイ伝送容量と比べてどの程度異なるか？
• RQ2 非対称レート要件を満たす条件下で、上行リンクと下行リンク間の最適な帯域幅割り当て戦略は何か？ これは二方向伝送容量を最大化することを目的とする。
• RQ3 ジェイン・エイデッドフィードバックに比べ、制限付きフィードバックビームフォーミングを用いる場合、二方向伝送容量はどの程度低下するか？
• RQ4 上行リンクと下行リンクの干渉の相関性が、独立した干渉モデルと比較して二方向伝送容量をどの程度低減させるか？
• RQ5 二方向伝送容量に対して、真のシステム動作を定数要因の範囲内で捉えることができるタイトな解析的境界を導出できるか？

主な発見

• 10%のアウトージ率において、同じ総帯域幅とデータレートを想定した場合、二方向伝送容量はワンウェイ容量の半分にまで低下する。
• 対称的トラフィック（両方向で同じレート）の場合は比例的帯域幅割り当てが最適であるが、非対称トラフィックでは性能が著しく劣る。
• 凸最適化により導出された最適な帯域幅割り当て戦略は、非対称状況において比例的割り当てに比べ36%の性能向上を示す（例：1.024 kbits/方向 対 0.056 kbits/方向）。
• 二方向伝送容量の導出された上限と下限は、定数のみで差異を示し、そのタイトさが確認され、正確な容量特徴付けが可能である。
• 制限付きフィードバックビームフォーミングでは、ジェイン・エイデッドフィードバックと比較して、特にフィードバックオーバーヘッドが顕著に帯域を消費する場合、二方向伝送容量が著しく低下する。
• 制限付きフィードバックを想定した二方向伝送容量の下限は、帯域幅とフィードバックビット数の関数として導出され、フィードバックオーバーヘッドと達成可能な容量の明確なトレードオフが示された。