[论文解读] Correlated Link Shadow Fading in Multi-hop Wireless Networks

Piyush Agrawal, Neal Patwari|ArXiv.org|Apr 17, 2008

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于多跳无线网络中相关阴影衰落的统计模型，通过测量结果表明，邻近链路之间存在显著的阴影衰落相关性（最高达0.33）。研究显示，独立阴影衰落模型会将路径失效概率低估高达200%，凸显了在传感器网络、自组织网络和网状网络中，为实现准确的网络可靠性分析与仿真，必须考虑相关性的重要性。

ABSTRACT

Accurate representation of the physical layer is required for analysis and simulation of multi-hop networking in sensor, ad hoc, and mesh networks. This paper investigates, models, and analyzes the correlations that exist in shadow fading between links in multi-hop networks. Radio links that are geographically proximate often experience similar environmental shadowing effects and thus have correlated fading. We describe a measurement procedure and campaign to measure a large number of multi-hop networks in an ensemble of environments. The measurements show statistically significant correlations among shadowing experienced on different links in the network, with correlation coefficients up to 0.33. We propose a statistical model for the shadowing correlation between link pairs which shows strong agreement with the measurements, and we compare the new model with an existing shadowing correlation model of Gudmundson (1991). Finally, we analyze multi-hop paths in three and four node networks using both correlated and independent shadowing models and show that independent shadowing models can underestimate the probability of route failure by a factor of two or greater.

研究动机与目标

• 研究并量化多跳无线网络中地理上接近的链路之间的阴影衰落相关性。
• 开发一种统计上准确的联合路径损耗模型，以考虑阴影衰落效应中的空间相关性。
• 证明独立阴影衰落模型（i.i.d.）会显著低估网络路径失效概率。
• 评估关联阴影衰落对3节点和4节点网络中多跳路径连通性的影响。
• 基于实测数据，对所提出的关联阴影衰落模型与Gudmundson（1991）等现有模型进行验证。

提出的方法

• 利用网络信道测量系统，在多种室内和室外环境中开展大规模无线电传播测量。
• 将阴影衰落损失定义为总衰落的一个组成部分，将其与小尺度衰落和设备引入的损耗分离。
• 基于空间接近度和环境障碍物，提出一种针对链路对之间阴影衰落相关性的统计模型。
• 采用链路余量（β）的联合高斯模型，计算在关联与i.i.d.阴影衰落下的路径连通概率。
• 通过条件分布和Q函数，推导出路径失效概率的解析表达式。
• 通过对比3节点和4节点拓扑结构下，关联与i.i.d.阴影衰落下的模拟路径失效速率，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多跳无线网络中，地理上接近的链路之间的阴影衰落相关性达到何种程度？
• RQ2 与独立（i.i.d.）阴影衰落模型相比，关联阴影衰落如何影响多跳路径失效概率？
• RQ3 统计模型能否准确表征在多样化网络拓扑和环境中的阴影衰落相关性？
• RQ4 网络设计假设（如链路余量）如何影响关联与i.i.d.阴影衰落模型之间的差异？
• RQ5 由于忽略阴影衰落相关性，当前仿真模型在多大程度上无法反映真实世界的连通性？

主要发现

• 实测的链路间阴影衰落相关性具有统计显著性，相关系数在实际部署中最高可达0.33。
• 所提出的关联阴影衰落模型与实测数据高度吻合，其在捕捉空间相关性方面优于Gudmundson（1991）模型。
• 对于3节点网络，i.i.d.阴影衰落模型相比关联模型低估了120%的路径失效概率。
• 对于4节点网络，i.i.d.模型对路径失效概率的低估程度上升至200%。
• 随着网络可靠性（链路余量）的提高，两种模型之间的差异显著增大，导致i.i.d.模型愈发乐观。
• 忽略阴影衰落相关性会导致连通性预测过于乐观，尤其在较长的多跳路径和高可靠性网络设计中更为明显。