[論文レビュー] Analysis of Multi-Hop Outdoor 60 GHz Wireless Networks with Full-Duplex Buffered Relays

Guang Yang, Ming Xiao+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 33被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、フルデュプレックスバッファリレーサイズを用いたマルチホップ屋外60 GHz無線ネットワークにおけるエンドツーエンド遅延およびバックログを分析するための確率的ネットワーク計算フレームワークを提案する。自己干渉をモーメント生成関数（MGF）を用いてモデル化することで、確率的性能バウンドを導出し、自己干渉が十分に低い場合に限り、リレーデンシティの増加が性能を向上させることを明らかにする。

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.

研究の動機と目的

• マルチホップ屋外60 GHzネットワークにフルデュプレックスリレーを適用するための解析的モデルの不足に対処すること。
• 自己干渉下での60 GHzチャネルの累積サービスプロセスをモーメント生成関数（MGF）を用いて特徴付けること。
• QoS保証通信のためのエンドツーエンドバックログおよび遅延の確率的上界を導出すること。
• 自己干渉を軽減しネットワーク性能を向上させる最適なパワー割り当てスキームの設計。
• 総電力制約下でのリレーデンシティとネットワーク性能のトレードオフの調査。

提案手法

• 自己干渉を組み込んだ60 GHzフェージングチャネルの時間変動サービスプロセスをモデル化するため、MGFに基づく確率的ネットワーク計算を用いる。
• パスロスおよびログノルムシャドウイングを考慮した瞬間SINRのMGFを用いて、チャネル容量の分布を特徴付ける。
• トレーンキューにおけるサービス合成を適用し、集約サービスプロセスのMGFを用いてエンドツーエンド性能バウンドを計算する。
• 自己干渉係数 $ \nu $ およびリレーデンシティ $ n $ に依存するネットワークサービスレート関数 $ c(\nu) $ の閉形式表現を導出する。
• 凸最適化を用いて、総電力制約下で $ c(\nu) $ を最大化する最適パワー割り当てスキームを提案する。
• 数値評価およびシミュレーションに類似した解析を通じて、導出されたバウンドの漸近的タイトネスを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己干渉は、フルデュプレックスリレーを備えたマルチホップ60 GHzネットワークにおけるエンドツーエンド遅延およびバックログにどのように影響を与えるか？
• RQ2 自己干渉が顕著な場合、リレーデンシティがネットワーク性能に与える影響は何か？
• RQ3 自己干渉を軽減しネットワークサービスレートを向上させる最適なパワー割り当てスキームを設計可能か？
• RQ4 リレーデンシティの増加がネットワーク性能を向上させる条件は何か？
• RQ5 パスロスおよびシャドウイングなどのチャネルパラメータの変化に伴い、バックログおよび遅延の確率的バウンドはどのようにスケーリングするか？

主な発見

• ネットワークサービスレート $ c(\nu) $ は自己干渉係数 $ \nu $ に対して「ウォールフォール」的挙動を示し、低値では平坦に保たれ、$ \nu $ が臨界閾値 $ \nu_c \approx -120 $ dB を超えると急激に減少する。
• 自己干渉レベルが $ -120 $ dB 未満の場合、リレーデンシティの増加によりサービスレート $ c(\nu) $ は向上するが、ある限界に達するとこれ以上向上しない。
• 自己干渉が強い場合（例：$ \nu \geq -90 $ dB）、リレーデンシティの増加は干渉の増加を引き起こし性能を劣化させるため、疎な配置が密な配置を上回る性能を示すことがある。
• 低干渉領域では確率的エンドツーエンド遅延バウンド $ w^\varepsilon $ はリレーデンシティに対してほとんど感度を示さないが、高干渉領域では非単調な挙動を示す。
• 自己干渉が各ノードで十分に低いため、システム全体に支配的でない場合、より多くのリレーが性能向上に寄与する。これはリレーデンシティが増加するに従い、漸近的に成立する。
• 最適パワー割り当てスキームは、特に干渉制限下の状況で $ c(\nu) $ を顕著に向上させ、電力制約下での性能向上を達成するために不可欠である。