[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出了一套基于随机网络计算的框架，用于分析使用全双工缓冲中继的多跳室外60 GHz无线网络中的端到端延迟与缓存积压。通过使用矩生成函数（MGF）对60 GHz信道的自干扰进行建模，推导出概率性能边界，并揭示：仅当自干扰足够低时，增加中继密度才能提升网络性能。

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.

研究动机与目标

• 为解决缺乏针对具有全双工中继的多跳室外60 GHz网络的分析模型的问题。
• 利用矩生成函数（MGF）表征在自干扰影响下60 GHz信道的累积服务过程。
• 推导保证服务质量（QoS）的端到端缓存积压与延迟的概率上界。
• 设计一种最优功率分配方案，以减轻自干扰并提升网络性能。
• 在总功率预算约束下，研究中继密度与网络性能之间的权衡。

提出的方法

• 采用基于MGF的随机网络计算方法，对60 GHz衰落信道的时变服务过程进行建模，同时考虑自干扰影响。
• 通过瞬时信干噪比（SINR）的MGF表征信道容量分布，考虑路径损耗与对数距离衰落。
• 在级联队列中应用服务串联方法，利用聚合服务过程的MGF计算端到端性能边界。
• 推导出网络服务速率函数 $ c( u) $ 的闭式表达式，其依赖于自干扰系数 $ u $ 和中继密度 $ n $。
• 提出一种最优功率分配方案，通过凸优化方法在总功率约束下最大化 $ c( u) $。
• 通过数值评估与类仿真分析验证所推导边界的渐近紧致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 自干扰如何影响具有全双工中继的多跳60 GHz网络中的端到端延迟与缓存积压？
• RQ2 当自干扰显著时，中继密度对网络性能有何影响？
• RQ3 能否设计一种最优功率分配方案以减轻自干扰并提升网络服务速率？
• RQ4 在何种条件下增加中继密度可带来网络性能的提升？
• RQ5 关于路径损耗与衰落等信道参数，缓存积压与延迟的概率边界如何变化？

主要发现

• 网络服务速率 $ c( u) $ 随自干扰系数 $ u $ 呈现‘瀑布’特性：在低值时保持平坦，当 $ u $ 超过临界阈值 $ u_c \approx -120 $ dB 时急剧下降。
• 当自干扰水平低于 $ -120 $ dB 时，增加中继密度可提升服务速率 $ c( u) $，但仅在一定范围内有效。
• 当自干扰较强（例如 $ \nu \geq -90 $ dB）时，更高的中继密度会因干扰增加而降低性能，稀疏部署反而优于密集部署。
• 在低干扰区域，概率端到端延迟边界 $ w^\varepsilon $ 对中继密度不敏感；但在高干扰区域，其表现出非单调行为。
• 仅当每节点的自干扰足够低、不主导系统性能时，增加中继数量才能提升性能，这在中继密度趋于无穷时可渐近实现。
• 最优功率分配方案显著提升了 $ c( u) $，尤其在干扰受限场景下，且在功率约束下实现性能增益至关重要。