[論文レビュー] Capacity Scaling of Ad Hoc Networks with Spatial Diversity

Andrew M. Hunter, Jeffrey G. Andrews+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2007

Cooperative Communication and Network Coding被引用数 20

ひとこと要約

本稿は、多重アンテナダイバーシティ技術を用いたアクティブネットワークの通信障害確率と伝送容量を分析し、ビームフォーミング、選択結合、空間時間符号化の各手法について、正確な性能指標を導出する。静的および動的ビームフォーミングは最大の利得を示し、それぞれΘ(M²)およびΘ(M²α)のスケーリングを示すが、チャネル硬化のため、空間時間ブロック符号化は僅かな改善にとどまる。

ABSTRACT

This paper derives the exact outage probability and transmission capacity of ad hoc wireless networks with nodes employing multiple antenna diversity techniques. The analysis enables a direct comparison of the number of simultaneous transmissions achieving a certain data rate under different diversity techniques. Preliminary results derive the outage probability and transmission capacity for a general class of signal distributions which facilitates quantifying the gain for fading or non-fading environments. The transmission capacity is then given for uniformly random networks with path loss exponent α> 2 in which nodes: (1) use static beamforming through M sectorized antennas for which the gain is shown to be Θ(M 2) if the antennas are without sidelobes, but less in the event of a nonzero sidelobe level; (2) dynamic eigen-beamforming (maximal ratio transmission/combining) in which the gain is shown to be Θ(M 2 α); (3) various transmit antenna selection and receive antenna selection combining schemes which give appreciable but rapidly diminishing gains; and (4) orthogonal space-time block coding, for which there is only a small gain due to channel hardening that increases with the number of transmit antennas, which is equivalent to the gain due to Nakagami-m fading for increasing m. It is concluded that in ad hoc networks, static and dynamic beamforming perform best, selection combining performs well but with rapidly diminishing returns with added antennas, and that space-time block coding offers only marginal gains.

研究の動機と目的

• 多重アンテナダイバーシティを用いるアクティブネットワークの正確な通信障害確率および伝送容量を導出すること。
• 異なるダイバーシティ手法（ビームフォーミング、選択結合、空間時間符号化）の性能向上を、変動する fading 環境下で比較すること。
• パスロス指数α > 2 のランダムネットワークにおいて、空間的ダイバーシティがアンテナ数Mとともにどのようにスケーリングするかを定量化すること。
• サイドローブレベルおよびチャネルフェーディングモデルがネットワーク容量および信頼性に与える影響を評価すること。
• 特定のデータレートおよび通信障害確率を満たす条件下で、同時に送信可能な通信数を最大化するダイバーシティ手法を特定すること。

提案手法

• 任意のフェーディング環境を想定し、一般クラスの信号分布を用いて正確な通信障害確率および伝送容量を導出する。
• パスロス指数α > 2 の均一なランダムアクティブネットワークを想定し、ノードの分布をポアソン点過程としてモデル化する。
• Mセクタ型アンテナを用いた静的ビームフォーミングを評価し、理想的（サイドローブなし）な条件下でビームゲインがΘ(M²)であることを示す。
• 動的エイゲンビームフォーミング（最大比送信/結合）を適用し、容量スケーリングがΘ(M²α)であることを導出する。
• 送信および受信アンテナの選択結合を評価し、Mの増加に伴い利得が急速に減少することを示す。
• 直交空間時間ブロック符号化を分析し、その性能向上がチャネル硬化およびmが増加するNakagami-mフェーディングと関連していることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 α > 2 のアクティブネットワークにおいて、静的ビームフォーミング下での容量スケーリングはアンテナ数Mとともにどのように変化するか？
• RQ2 フェーディング環境下で、動的エイゲンビームフォーミングは他のダイバーシティ手法に比べてどの程度の容量利得を示すか？
• RQ3 セクタ型アンテナのサイドローブレベルは、ビームフォーミングシステムにおける達成可能な容量利得にどのように影響するか？
• RQ4 送信または受信のアンテナ選択結合方式は、容量をどの程度向上させるか。また、Mの増加に伴い利得がどのように減少するか？
• RQ5 アンテナ数Mを増加させても空間時間ブロック符号化は僅かな利得にとどまるが、その理由は何か。これはチャネル硬化とどのように関連しているか？

主な発見

• サイドローブが無視できる場合、Mセクタ型アンテナを用いた静的ビームフォーミングは容量利得Θ(M²)を達成するが、非ゼロのサイドローブレベルがあると性能が劣化する。
• 動的エイゲンビームフォーミングはΘ(M²α)の最大スケーリング利得を示し、パスロス指数が大きいネットワークにおいて最適である。
• 送信および受信アンテナの選択結合は顕著な利得を示すが、Mの増加に伴い急速に利得が減少するため、リターンの逓減が顕著である。
• 直交空間時間ブロック符号化は、チャネル硬化がMの増加に伴い強化され、mが増加するNakagami-mフェーディングと同等になるため、わずかな容量利得にとどまる。
• 容量スケーリングおよびスペクトル効率の観点から、ビームフォーミング手法（静的および動的）は選択結合および空間時間符号化を上回る。
• アクティブネットワークにおいて、ビームフォーミングは、所定のデータレートおよび通信障害確率を満たす条件下で、同時に送信可能な通信数を最大化する最も効果的なダイバーシティ手法である。