[논문 리뷰] Guard Zones and the Near-Far Problem in DS-CDMA Ad Hoc Networks

Don Torrieri, Matthew C. Valenti|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 12.

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한 줄 요약

이 논문은 DS-CDMA 애드혹 네트워크에서 가까운-멀리 문제를 완화하기 위해 경계 구역(배제 영역 및 CSMA 경계 영역)을 분석한다. 유한하고 균일하게 군집된 네트워크 모델을 사용하며, 나카가미 fading과 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하여, 처리 이득이 높을수록 CSMA 경계 영역보다 배제 영역이 전송 용량 측면에서 뛰어남을 보여준다. CSMA 경계 영역은 외상 확률 향상에 미미한 기여만 하며 전송 용량을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

The central issue in direct-sequence code-division multiple-access (DS-CDMA) ad hoc networks is the prevention of a near-far problem. This paper considers two types of guard zones that may be used to control the near-far problem: a fundamental exclusion zone and an additional CSMA guard zone that may be established by the carrier-sense multiple-access (CSMA) protocol. In the exclusion zone, no mobiles are physically present, modeling the minimum physical separation among mobiles that is always present in actual networks. Potentially interfering mobiles beyond a transmitting mobile's exclusion zone, but within its CSMA guard zone, are deactivated by the protocol. This paper provides an analysis of DS-CSMA networks with either or both types of guard zones. A network of finite extent with a finite number of mobiles is modeled as a uniform clustering process. The analysis uses a closed-form expression for the outage probability in the presence of Nakagami fading, conditioned on the network geometry. By using the analysis developed in this paper, the tradeoffs between exclusion zones and CSMA guard zones are explored for DS-CDMA and unspread networks.

연구 동기 및 목표

• 중앙 집중식 전력 제어 없이 DS-CDMA 애드혹 네트워크의 가까운-멀리 문제를 해결하기 위해.
• 유한한 수의 이동국과 균일한 군집을 가진 현실적인 유한 네트워크 모델을 제안하여 스토하스틱 기하학적 가정을 피하기 위해.
• 네트워크 성능에 대한 물리적 분리(배제 영역)와 프로토콜 기반 비활성화(CSMA 경계 영역) 간의 트레이드오프를 평가하기 위해.
• 몬테카를로 방법을 사용하여 나카가미 페이딩과 샤프닝 조건 하에서 전송 용량과 외상 확률을 정량화하기 위해.
• 다양한 경계 영역 설정과 네트워크 파라미터에서 DS-CDMA와 스프레드되지 않은 시스템 간의 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 유한한 애드혹 네트워크를 모델링하며, M개의 이동국이 유한한 영역 내에 균일하게 분포되어 있는 군집화 프로세스를 사용한다.
• 두 가지 경계 영역을 도입한다: 이동국이 물리적으로 존재하지 않는 배제 영역(r_ex)과 RTS/CTS 핸드셰이크를 통해 간섭자를 비활성화하는 CSMA 경계 영역(r_g).
• 네트워크 기하학과 나카가미-m 페이딩 조건 하에서 외상 확률의 폐쇄형 표현을 사용하며, 샤프닝 요소를 통합한다.
• 직접 페이딩 계수 생성을 피하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여 공간 평균 외상 확률과 전송 용량(TC)을 계산한다.
• 전송자 거리, 경계 영역 반경, 간섭자 수, 처리 이득(G_e)에 따라 전송 용량을 평가한다.
• 다양한 경계 영역 및 간섭 조건 하에서 DS-CDMA(G_e = 48)와 스프레드되지 않은 시스템(G_e = 1) 간의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배제 영역과 CSMA 경계 영역은 DS-CDMA 애드혹 네트워크의 전송 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 배제 영역을 통해 더 많은 활성 이동국을 유지하는 것과 CSMA 영역을 통해 간섭을 억제하는 것 사이의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ3 전송자-수신자 거리가 증가할수록 전송 용량과 외상 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 간섭자 수가 DS-CDMA와 스프레드되지 않은 시스템의 성능 향상에 미치는 영향은, 경계 영역 유무에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 CSMA 경계 영역이 전송 용량 손실에 비해 외상 확률 향상에 뚜렷한 기여를 하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 배제 영역은 활성 간섭자를 감소시키지 않기 때문에 CSMA 경계 영역보다 더 높은 전송 용량을 제공한다.
• 전송자-수신자 거리가 증가함에 따라 근접 간섭자가 많아져 전송 용량이 저하되지만, DS-CDMA에서는 스프레드되지 않은 시스템보다 저하 정도가 더 서서히 나타난다.
• 처리 이득이 높을수록(G_e = 48), CSMA 경계 영역은 전송 용량 감소에 비해 외상 확률 향상에 미미한 기여만 한다.
• 배제 영역이 없는 DS-CDMA에서는 전송 용량이 간섭자 수(M)에 대해 약 선형적으로 증가하지만, 경계 영역이 있거나 스프레드되지 않은 시스템에서는 비선형적으로 증가한다.
• M = 60일 때, 스프레드되지 않은 네트워크의 전송 용량은 CSMA 경계 영역이 있거나 없거나 거의 동일하여 수익 감소 현상이 나타난다.
• 경계 영역이 없거나 최소한일 경우, 특히 큰 배제 영역이 존재할 경우, DS-CDMA가 스프레드되지 않은 시스템보다 성능 향상이 뚜렷하다.