[논문 리뷰] Analysis of Multi-Hop Outdoor 60 GHz Wireless Networks with Full-Duplex Buffered Relays

Guang Yang, Ming Xiao외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 02.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 33인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 풀드업랙스 버퍼드 릴레이를 사용하는 멀티홉 외부 60 GHz 무선 네트워크에서 종단 간 지연과 백로그를 분석하기 위해 확률적 네트워크 미적분 프레임워크를 제안한다. 자기간섭을 모멘트 생성 함수(MGF)를 통해 60 GHz 채널을 모델링함으로써, 확률적 성능 한계를 도출하고, 자기간섭이 충분히 낮을 경우에만 릴레이 밀도를 높임으로써 성능 향상이 가능하다는 것을 밝혀낸다.

ABSTRACT

The abundance of unlicensed spectrum in the 60 GHz band makes it an attractive alternative for future wireless communication systems. Such systems are expected to provide data transmission rates in the order of multi-gigabits per second in order to satisfy the ever-increasing demand for high rate data communication. Unfortunately, 60 GHz radio is subject to severe path loss which limits its usability for long-range outdoor communication. In this work, we propose a multi-hop 60 GHz wireless network for outdoor communication where multiple full-duplex buffered relays are used to extend the communication range while providing end-to-end performance guarantees to the traffic traversing the network. We provide a cumulative service process characterization for the 60 GHz outdoor propagation channel with self-interference in terms of the moment generating function (MGF) of its channel capacity. We then use this characterization to compute probabilistic upper bounds on the overall network performance, i.e., total backlog and end-to-end delay. Furthermore, we study the effect of self-interference on the network performance and propose an optimal power allocation scheme to mitigate its impact in order to enhance network performance. Finally, we investigate the relation between relay density and network performance under a total power budget constraint. We show that increasing relay density may have adverse effects on network performance unless self-interference can be kept sufficiently small.

연구 동기 및 목표

• 풀드업랙스 릴레이를 갖는 멀티홉 외부 60 GHz 네트워크에 대한 분석 모델의 부족을 해결하기 위해.
• 모멘트 생성 함수(MGF)를 사용하여 자기간섭 하에서 60 GHz 채널의 누적 서비스 프로세스를 특성화하기 위해.
• QoS 보장을 위한 종단 간 백로그와 지연에 대한 확률적 상한을 유도하기 위해.
• 자기간섭을 완화하고 네트워크 성능을 향상시키기 위한 최적의 전력 할당 방안을 설계하기 위해.
• 총 전력 예산 제약 조건 하에서 릴레이 밀도와 네트워크 성능 간의 상호 교환 관계를 조사하기 위해.

제안 방법

• 자기간섭을 고려한 60 GHz fading 채널의 시간에 따라 변하는 서비스 프로세스를 모델링하기 위해 MGF 기반의 확률적 네트워크 미적분을 사용한다.
• 경로 손실과 로그노멀 샤도잉을 고려하여 순간 신호대간섭가우스비(SINR)의 MGF를 통해 채널 용량 분포를 특성화한다.
• 병렬 대기열에서의 서비스 연결을 적용하여 집합 서비스 프로세스의 MGF를 사용하여 종단 간 성능 한계를 계산한다.
• 자기간섭 계수 $ \nu $ 와 릴레이 밀도 $ n $ 에 따라 달라지는 네트워크 서비스 속도 함수 $ c(\nu) $ 의 닫힌 형태의 표현식을 유도한다.
• 총 전력 제약 조건 하에서 $ c(\nu) $ 를 최대화하는 최적의 전력 할당 방안을 볼록 최적화를 통해 유도한다.
• 수치적 평가와 시뮬레이션 유사 분석을 통해 유도된 한계의 渐近적 타이트니스를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기간섭은 풀드업랙스 릴레이를 갖는 멀티홉 60 GHz 네트워크에서 종단 간 지연과 백로그에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 자기간섭이 심할 경우 릴레이 밀도는 네트워크 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기간섭을 완화하고 네트워크 서비스 속도를 향상시키기 위한 최적의 전력 할당 방안을 설계할 수 있는가?
• RQ4 릴레이 밀도를 높임으로써 네트워크 성능 향상이 이루어지는 조건은 무엇인가?
• RQ5 경로 손실과 샤도잉과 같은 채널 파rameter에 따라 백로그와 지연의 확률적 한계는 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 네트워크 서비스 속도 $ c(\nu) $ 는 자기간섭 계수 $ \nu $ 에 대해 '워터폴' 형태의 행동을 보이며, 낮은 값에서는 수평으로 유지되다가 $ \nu $ 가 임계 임계값 $ \nu_c \approx -120 $ dB 를 초과하면 급격히 감소한다.
• 자기간섭 수준이 $ -120 $ dB 이하일 경우, 릴레이 밀도를 높임으로써 서비스 속도 $ c(\nu) $ 가 향상되지만, 일정 한계를 넘어서면 더 이상 향상되지 않는다.
• 자기간섭이 강할 경우(예: $ \nu \geq -90 $ dB), 더 높은 릴레이 밀도는 간섭 증가로 인해 성능을 악화시키며, 희박한 배치가 더 빠른 밀도의 경우보다 성능이 뛰어날 수 있다.
• 저간섭 환경에서는 종단 간 지연 한계 $ w^\varepsilon $ 가 릴레이 밀도에 대해 상대적으로 민감하지 않지만, 고간섭 환경에서는 비단조화적인 행동을 보인다.
• 자기간섭이 각 노드에서 충분히 낮아서 시스템에서 지배적이지 않을 경우에만 더 많은 릴레이가 성능 향상에 기여하며, 이는 릴레이 밀도가 증가함에 따라 渐진적으로 발생한다.
• 최적의 전력 할당 방안은 특히 간섭 제한 환경에서 $ c(\nu) $ 를 크게 향상시키며, 전력 제약 조건 하에서 성능 향상을 달성하기 위해 필수적이다.