[论文解读] Guard Zones and the Near-Far Problem in DS-CDMA Ad Hoc Networks

Don Torrieri, Matthew C. Valenti|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2012

Wireless Communication Networks Research参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文分析了在DS-CDMA自组织网络中用于缓解远近效应的保护区——排除区和CSMA保护区。通过采用具有瑞利衰落和蒙特卡洛仿真的一般有限聚类网络模型，研究结果表明，当处理增益较高时，排除区在吞吐量方面优于CSMA保护区，因为CSMA保护区仅带来微小的中断概率改善，却显著降低了吞吐量。

ABSTRACT

The central issue in direct-sequence code-division multiple-access (DS-CDMA) ad hoc networks is the prevention of a near-far problem. This paper considers two types of guard zones that may be used to control the near-far problem: a fundamental exclusion zone and an additional CSMA guard zone that may be established by the carrier-sense multiple-access (CSMA) protocol. In the exclusion zone, no mobiles are physically present, modeling the minimum physical separation among mobiles that is always present in actual networks. Potentially interfering mobiles beyond a transmitting mobile's exclusion zone, but within its CSMA guard zone, are deactivated by the protocol. This paper provides an analysis of DS-CSMA networks with either or both types of guard zones. A network of finite extent with a finite number of mobiles is modeled as a uniform clustering process. The analysis uses a closed-form expression for the outage probability in the presence of Nakagami fading, conditioned on the network geometry. By using the analysis developed in this paper, the tradeoffs between exclusion zones and CSMA guard zones are explored for DS-CDMA and unspread networks.

研究动机与目标

• 为在DS-CDMA自组织网络中缓解远近效应，且无需集中式功率控制。
• 建立一个具有有限移动终端和均匀聚类的现实有限网络模型，避免使用随机几何假设。
• 评估排除区（物理隔离）与CSMA保护区（协议级停用）在系统性能上的权衡。
• 使用蒙特卡洛方法量化在Nakagami衰落和阴影衰落条件下的吞吐量和中断概率。
• 在不同保护区配置和网络参数下，比较DS-CDMA与非扩频系统的性能。

提出的方法

• 使用均匀聚类过程在有限区域内均匀分布M个移动终端，建立有限的自组织网络模型。
• 引入两种保护区：排除区（r_ex），即该区域内无移动终端物理存在；以及CSMA保护区（r_g），通过RTS/CTS握手机制使干扰源停用。
• 采用基于网络几何结构和Nakagami-m衰落的闭式中断概率表达式，并考虑阴影衰落影响。
• 使用蒙特卡洛仿真计算空间平均中断概率和吞吐量（TC），避免直接生成衰落系数。
• 评估吞吐量作为发射机距离、保护区半径、干扰源数量和处理增益（G_e）的函数。
• 在不同保护区和干扰条件设置下，比较DS-CDMA（G_e = 48）与非扩频系统（G_e = 1）的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 排除区与CSMA保护区如何影响DS-CDMA自组织网络中的吞吐量？
• RQ2 在保持更多活跃移动终端（通过排除区）与实现更强干扰抑制（通过CSMA保护区）之间存在何种权衡？
• RQ3 增加发射机-接收机距离如何影响吞吐量和中断概率？
• RQ4 干扰源数量如何影响DS-CDMA系统相对于非扩频系统在有无保护区情况下的性能增益？
• RQ5 在何种条件下，CSMA保护区能显著改善中断概率，而其对吞吐量的代价相对较小？

主要发现

• 排除区的吞吐量高于CSMA保护区，因为前者不会减少活跃干扰源的数量。
• 随着发射机-接收机距离增加，吞吐量下降，这是由于附近干扰源增多所致；然而，DS-CDMA系统的下降趋势比非扩频系统更平缓。
• 当处理增益较高（G_e = 48）时，CSMA保护区仅带来微小的中断概率改善，却导致吞吐量显著下降。
• 在无保护区的DS-CDMA系统中，吞吐量随干扰源数量（M）近似线性增加；而在有保护区或非扩频系统中，吞吐量随M增加呈次线性增长。
• 当M = 60时，非扩频网络在有无CSMA保护区时的吞吐量几乎相同，表明收益递减。
• 当保护区不存在或极小时，DS-CDMA相对于非扩频系统的性能增益最为显著，尤其是在排除区较大的情况下。