[论文解读] Improved Capacity Scaling in Wireless Networks With Infrastructure

WY Shin, Jeon Sw+5 more|Nov 5, 2008

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 7

一句话总结

本文提出基于基础设施的单跳（ISH）与多跳（IMH）路由协议，利用多天线基站（BSs）提升大规模无线网络中的吞吐量扩展性能。通过利用多天线带来的空间复用增益及信噪比增益，并结合基站密度的提升，该方案在扩展网络中实现了最优量级的线性吞吐量扩展——优于传统多跳与分层协作方案，尤其在基站与天线数量随网络规模同步增长时表现更优。

ABSTRACT

This paper analyzes the impact and benefits of infrastructure support in improving the throughput scaling in networks of $n$ randomly located wireless nodes. The infrastructure uses multi-antenna base stations (BSs), in which the number of BSs and the number of antennas at each BS can scale at arbitrary rates relative to $n$. Under the model, capacity scaling laws are analyzed for both dense and extended networks. Two BS-based routing schemes are first introduced in this study: an infrastructure-supported single-hop (ISH) routing protocol with multiple-access uplink and broadcast downlink and an infrastructure-supported multi-hop (IMH) routing protocol. Then, their achievable throughput scalings are analyzed. These schemes are compared against two conventional schemes without BSs: the multi-hop (MH) transmission and hierarchical cooperation (HC) schemes. It is shown that a linear throughput scaling is achieved in dense networks, as in the case without help of BSs. In contrast, the proposed BS-based routing schemes can, under realistic network conditions, improve the throughput scaling significantly in extended networks. The gain comes from the following advantages of these BS-based protocols. First, more nodes can transmit simultaneously in the proposed scheme than in the MH scheme if the number of BSs and the number of antennas are large enough. Second, by improving the long-distance signal-to-noise ratio (SNR), the received signal power can be larger than that of the HC, enabling a better throughput scaling under extended networks. Furthermore, by deriving the corresponding information-theoretic cut-set upper bounds, it is shown under extended networks that a combination of four schemes IMH, ISH, MH, and HC is order-optimal in all operating regimes.

研究动机与目标

• 分析基础设施支持——特别是多天线基站（BSs）——对大规模无线网络中吞吐量扩展的影响。
• 研究基站数量与每基站天线数量相对于节点数的扩展方式对网络容量的影响。
• 设计并评估新型路由协议（ISH与IMH），利用基础设施提升频谱效率与吞吐量扩展性能。
• 在密集与扩展网络场景下，将所提方案与传统方案（多跳与分层协作）进行比较。
• 推导信息论割集上界，并验证联合方案在所有工作模式下的最优阶性能。

提出的方法

• 提出一种基于基础设施的单跳（ISH）协议，多个源节点通过多址上行链路同时向基站传输数据，并通过广播下行链路接收数据。
• 提出一种基于基础设施的多跳（IMH）协议，结合高容量有线回传链路与无线节点间的多跳路由。
• 在密集与扩展网络模型下分析吞吐量扩展性能，节点位置在单位面积内均匀随机分布。
• 利用信息论割集边界推导可达吞吐量的上界，以确立理论极限。
• 采用随机几何与概率功率传输模型，对干扰与路径损耗进行建模，尤其关注路径损耗指数为α的扩展网络。
• 应用正则化网络变换与基于层的距禋近似方法，对每个基站从所有源节点接收的总功率进行上界估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在节点随机分布的大规模无线网络中，引入多天线基站如何影响可实现的吞吐量扩展性能？
• RQ2 在扩展网络中，基站密度与每基站天线数的最优扩展方式为何，才能实现线性吞吐量扩展？
• RQ3 基于基础设施的协议是否能在吞吐量扩展增益方面优于传统多跳与分层协作方案？
• RQ4 基于基础设施的无线网络的根本容量极限是什么？所提方案是否达到最优阶？
• RQ5 路径损耗指数α与网络几何结构如何影响基础设施支持带来的性能增益？

主要发现

• 在密集网络中，所提ISH与IMH协议实现了线性吞吐量扩展，性能与传统多跳方案相当。
• 在扩展网络中，由于增强了空间复用与远距离信噪比，ISH与IMH协议显著优于传统多跳与分层协作方案。
• 当基站数量与天线数量按适当方式随n增长时，ISH协议在现实条件下可实现吞吐量扩展Θ(n^{1−ε})（对任意ε > 0）。
• 当基站与天线数量随n增长时，IMH协议在扩展网络中实现吞吐量扩展Θ(n^{1−ε})，支持更高的空间复用并减少干扰。
• 割集上界分析表明，ISH、IMH、MH与HC方案的联合使用在所有网络场景下均达到最优阶性能。
• 当路径损耗指数α > 3时，吞吐量扩展受限于O(n / √l ⋅ (ml/n)^{α/2} log n)，表明增加天线数l可缓解路径损耗并提升性能。