[论文解读] Beamsteering on Mobile Devices: Network Capacity and Client Efficiency

Hang Yu, Lin Zhong+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2010

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 26被引用 5

一句话总结

本文提出在移动设备上采用波束成形技术，通过实现定向传输来提升能量效率和网络容量。文中提出BeamAdapt这一分布式算法，使客户端能够自主优化其天线数量和发射功率，在大规模仿真中，四天线客户端的客户端功耗降低55%，同时保持网络吞吐量不变。

ABSTRACT

Current and emerging mobile devices are omni directional in wireless communication. Such omni directionality not only limits device energy efficiency but also poses a significant challenge toward the capacity of wireless networks through inter-link interference. In this work, we seek to make mobile clients directional with beamsteering. We first demonstrate that beamsteering is already feasible to mobile devices such as Netbooks and eBook readers in terms of form factor, power efficiency, and device mobility. We further reveal that beamsteering mobile clients face a unique challenge to balance client efficiency and network capacity. There is an optimal operating point for a beamsteering mobile client in terms of the number of antennas and transmit power that achieve the required capacity with lowest power. Finally, we provide a distributed algorithm called BeamAdapt that allows each client to closely approach its optimal point iteratively without central coordination. We also offer a cellular system realization of BeamAdapt. Using Qualnet-based simulation, we show that BeamAdapt with four antennas can reduce client power consumption by 55% while maintaining a required network throughput for a large-scale network, compared to the same network with omni directional mobile clients.

研究动机与目标

• 解决全向传输移动设备在无线网络中能量效率低下和干扰受限的问题。
• 探索在净本网本和电子书阅读器等移动设备形态中实现波束成形的可行性。
• 确定在启用波束成形的移动客户端中，客户端能量效率与网络容量之间的最优权衡。
• 设计一种分布式、无需协调的算法，使客户端能够收敛至其最优工作点。
• 通过仿真评估波束成形在真实蜂窝系统环境下的性能表现。

提出的方法

• 作者利用包含定向传输和干扰管理的系统模型，分析客户端功耗与网络容量之间的权衡关系。
• 提出BeamAdapt算法，每个客户端基于本地反馈和网络状况，迭代调整其激活天线数量和发射功率。
• 该算法无需中心化协调，可在大规模移动网络中实现可扩展性和适应性。
• 设计并评估了基于Qualnet的BeamAdapt蜂窝系统实现。
• 系统模型包含路径损耗、干扰和客户端移动性等真实参数。
• 性能评估基于不同客户端密度和波束成形配置下的客户端能量消耗与网络吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 波束成形是否可在净本网本和电子书阅读器等移动设备上实际实现，而不会对形态、功耗效率或移动性造成显著影响？
• RQ2 在启用波束成形的移动客户端中，客户端能量效率与网络容量之间的最优平衡点是什么？
• RQ3 能否通过一种分布式算法使客户端在无中心控制的情况下自主收敛至最优波束成形配置？
• RQ4 在保持所需网络吞吐量的前提下，波束成形可实现多大程度的客户端能量效率提升？
• RQ5 波束成形对大规模移动网络中的网络容量和可扩展性有何影响？

主要发现

• 波束成形在净本网本和电子书阅读器等移动设备中具有可行性，对形态、功耗效率或移动性无显著负面影响。
• 波束成形客户端存在一个最优工作点，可在实现所需网络容量的同时最小化功耗。
• BeamAdapt使每个客户端能够通过迭代方式在无中心协调的情况下逼近其最优配置。
• 在四天线配置下，BeamAdapt相比全向客户端将客户端功耗降低55%，同时在大规模仿真中保持了所需的网络吞吐量。
• 所提出的波束成形方法显著提升了客户端能量效率，且未降低网络容量。
• 仿真结果表明，波束成形在大规模蜂窝网络中可有效扩展，且开销极低。