[论文解读] A High-Throughput Cross-Layer Scheme for Distributed Wireless Ad Hoc Networks

Athina P. Petropulu, Lun Dong+1 more|ArXiv.org|Apr 21, 2007

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于分布式无线自组织网络的高吞吐量跨层方案，通过允许同时传输并利用碰撞数据包的线性组合进行波束成形，减少了协作开销。通过允许节点以随机接入方式发送，并基于信道估计应用分布式波束成形（使用复数权重），该方案在某些场景下实现了超过1的吞吐量，尽管与先前方法相比SINR有所降低。

ABSTRACT

In wireless ad hoc networks, distributed nodes can collaboratively form an antenna array for long-distance communications to achieve high energy efficiency. In recent work, Ochiai, et al., have shown that such collaborative beamforming can achieve a statistically nice beampattern with a narrow main lobe and low sidelobes. However, the process of collaboration introduces significant delay, since all collaborating nodes need access to the same information. In this paper, a technique that significantly reduces the collaboration overhead is proposed. It consists of two phases. In the first phase, nodes transmit locally in a random access fashion. Collisions, when they occur, are viewed as linear mixtures of the collided packets. In the second phase, a set of cooperating nodes acts as a distributed antenna system and beamform the received analog waveform to one or more faraway destinations. This step requires multiplication of the received analog waveform by a complex number, which is independently computed by each cooperating node, and which enables separation of the collided packets based on their final destination. The scheme requires that each node has global knowledge of the network coordinates. The proposed scheme can achieve high throughput, which in certain cases exceeds one.

研究动机与目标

• 减少分布式无线自组织网络中节点在波束成形前共享信息的协作开销。
• 在多跳网络中实现无需依赖TDMA协调的并行传输。
• 在动态、单天线无线传感器网络中，保持高能效和高吞吐量的同时最小化延迟。
• 设计一种仅依赖网络坐标局部信息和信道系数估计的波束成形方案。

提出的方法

• 节点以随机接入方式发送数据包，将碰撞视为信号的线性组合。
• 一组N个协作节点构成一个分布式天线阵列，并使用复数波束成形权重处理接收到的模拟波形。
• 每个节点基于估计的信道系数和目标节点的已知位置计算其波束成形权重，从而实现对特定目标的波束成形。
• 波束成形权重基于阵列因子公式推导，利用相对距离和方位角的相位偏移。
• 通过在数据包中嵌入正交节点ID，协作节点可估计信道系数。
• 在接收端使用最大似然译码器恢复符号，数据包丢失定义为误比特率BER > 0.02。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够利用多跳自组织网络中的并行传输来提高吞吐量，同时减少协作开销？
• RQ2 当通过随机接入和线性混合处理最小化信息共享时，协作波束成形方案的性能会如何退化？
• RQ3 在避免使用TDMA协调的分布式波束成形方案中，吞吐量与SINR之间的权衡关系如何？
• RQ4 协作节点数量和同时形成的波束波束数量如何影响系统吞吐量和误比特率（BER）？
• RQ5 在动态、分布式环境中，全局网络坐标知识与局部信道估计在多大程度上可支持有效波束成形？

主要发现

• 所提方案在某些配置下实现了超过1的吞吐量，表明尽管SINR降低，仍具备高谱效率。
• 随着协作节点数量增加，吞吐量提升，当N = 1,024时，所有K个波束波束同时形成时，吞吐量接近K/2。
• BER性能随γ₂值增大和N增大而改善，当具备完美信道知识时，接近理论下限。
• 对于固定活跃节点数（K=4），每时隙仅形成一个波束波束的配置比同时形成全部四个波束波束的BER性能更优。
• 平均SINR相比先前方案按β′因子渐近缩放，表明吞吐量与信号质量之间存在权衡。