[论文解读] On the Throughput Maximization in Dencentralized Wireless Networks

Jamshid Abouei, Alireza Bayesteh+2 more|ArXiv.org|Oct 14, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 37被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种在具有 K 条链路的去中心化无线网络中，采用正交子信道（M 个簇）和阴影衰落模型的分布式、非迭代功率分配策略。证明了最大网络吞吐量（定义为平均和速率或保证和速率）的尺度为 Θ(log K)，且在 M=1 时达到最大值，此时在强干扰条件下采用开关式功率分配方案。

ABSTRACT

A distributed single-hop wireless network with $K$ links is considered, where the links are partitioned into a fixed number ($M$) of clusters each operating in a subchannel with bandwidth $\frac{W}{M}$. The subchannels are assumed to be orthogonal to each other. A general shadow-fading model, described by parameters $(α,\varpi)$, is considered where $α$ denotes the probability of shadowing and $\varpi$ ($\varpi \leq 1$) represents the average cross-link gains. The main goal of this paper is to find the maximum network throughput in the asymptotic regime of $K o \infty$, which is achieved by: i) proposing a distributed and non-iterative power allocation strategy, where the objective of each user is to maximize its best estimate (based on its local information, i.e., direct channel gain) of the average network throughput, and ii) choosing the optimum value for $M$. In the first part of the paper, the network hroughput is defined as the extit{average sum-rate} of the network, which is shown to scale as $Θ(\log K)$. Moreover, it is proved that in the strong interference scenario, the optimum power allocation strategy for each user is a threshold-based on-off scheme. In the second part, the network throughput is defined as the extit{guaranteed sum-rate}, when the outage probability approaches zero. In this scenario, it is demonstrated that the on-off power allocation scheme maximizes the throughput, which scales as $\frac{W}{α\varpi} \log K$. Moreover, the optimum spectrum sharing for maximizing the average sum-rate and the guaranteed sum-rate is achieved at M=1.

研究动机与目标

• 在具有 K 条链路和有限频谱的大规模去中心化无线网络中，最大化网络吞吐量。
• 通过开发一种分布式、非迭代的功率控制策略，解决大规模网络中集中式资源分配不切实际的问题。
• 在阴影衰落条件下，确定能最大化平均和保证和速率的最优子信道数 M。
• 建立吞吐量随 K 呈对数尺度增长的结论，并证明在平均和保证和速率两种情形下，M=1 均可实现最大吞吐量。

提出的方法

• 将具有 K 个单跳链路的无线网络划分为 M 个簇，每个簇使用带宽为 W/M 的正交子信道。
• 采用一般阴影衰落模型，参数为 (α, ϖ)，其中 α 为阴影衰落概率，ϖ 为平均交叉链路增益。
• 提出一种分布式、非迭代的功率分配策略，每个用户仅根据其本地直射链路信道增益设置功率，以最大化其对网络吞吐量的估计。
• 分析两种吞吐量度量：(1) 平均和速率，以及 (2) 当中断概率趋近于零时的保证和速率。
• 利用随机几何和极值分析推导渐近吞吐量尺度律，特别是针对 K→∞ 的情形。
• 在强干扰场景中采用开关式功率分配方案，并通过证明吞吐量函数的极值特性，证明其在两种吞吐量定义下均能最大化吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有 K 条链路的去中心化无线网络中，最优子信道数 M 是什么，可使网络吞吐量最大化？
• RQ2 在一般阴影衰落模型下，当 K→∞ 时，网络吞吐量的渐近尺度如何？
• RQ3 基于局部信道信息的分布式、非迭代功率分配策略能否实现最优或近似最优吞吐量？
• RQ4 在平均和速率与保证和速率两种情形下，最优频谱共享（M）是否存在根本性差异？
• RQ5 在强干扰条件下，开关式功率分配方案是否能最大化吞吐量？如果是，原因是什么？

主要发现

• 在渐近情形 K→∞ 下，网络的平均和速率尺度为 Θ(log K)，与 M 无关。
• 对于保证和速率，最大吞吐量的尺度为 (W/(αϖ)) log K，且可通过开关式功率分配方案实现。
• 在平均和速率与保证和速率两种情形下，最优频谱共享均在 M=1 时实现，意味着应由单一簇使用全部带宽。
• 开关式功率分配策略在强干扰场景中能最大化吞吐量，其有效性通过吞吐量函数的极值分析得到证明。
• 在无阴影衰落情形（α=0）下，平均和速率为 M 的单调递减函数，进一步证实 M=1 可最大化吞吐量。
• 渐近分析表明，当 M=K（即每条链路使用独立子信道）时，平均和速率趋近于 W(log K − log(N₀W) − γ)，确认了对数尺度特性。