[论文解读] Spatial Interference Cancellation for Multi-Antenna Mobile Ad Hoc Networks

Kaibin Huang, Jeffrey G. Andrews+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2008

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 53被引用 44

一句话总结

本文提出在泊松分布的发射机与瑞利衰落信道的多天线移动自组织网络（MANETs）中，利用迫零波束成形进行空间干扰消除。结果表明，当中断概率 $ \theta \to 0 $ 时，消除 $ L $ 个最强干扰信号可使传输容量的渐近量级为 $ \tilde{C}(\theta) = \tilde{C}_0 \theta^{\frac{1}{L+1}} $；若训练序列长度选择得当，则信道状态信息（CSI）的不准确性对容量渐近量级无影响，仿真结果表明仅消除一个干扰信号即可实现高达10倍的容量增益。

ABSTRACT

Interference between nodes is a critical impairment in mobile ad hoc networks (MANETs). This paper studies the role of multiple antennas in mitigating such interference. Specifically, a network is studied in which receivers apply zero-forcing beamforming to cancel the strongest interferers. Assuming a network with Poisson distributed transmitters and independent Rayleigh fading channels, the transmission capacity is derived, which gives the maximum number of successful transmissions per unit area. Mathematical tools from stochastic geometry are applied to obtain the asymptotic transmission capacity scaling and characterize the impact of inaccurate channel state information (CSI). It is shown that, if each node cancels L interferers, the transmission capacity decreases as the outage probability to the power of 1/(L+1) as the outage probability vanishes. For fixed outage probability, as L grows, the transmission capacity increases as L to the power of (1-2/alpha) where alpha is the path-loss exponent. Moreover, CSI inaccuracy is shown to have no effect on the transmission capacity scaling as the outage probability vanishes, provided that the CSI training sequence has an appropriate length, which we derived. Numerical results suggest that canceling merely one interferer by each node increases the transmission capacity by an order of magnitude or more, even when the CSI is imperfect.

研究动机与目标

• 分析随机拓扑的移动自组织网络（MANETs）中多天线对干扰抑制的影响。
• 量化接收端通过迫零波束成形消除最强 $ L $ 个干扰信号时，传输容量（TC）的增益。
• 评估不完美信道状态信息（CSI）对TC渐近量级的影响，尤其在低中断概率区域。
• 推导确保在CSI不准确情况下仍能维持渐近TC量级的训练序列长度。
• 证明空间干扰消除可在低协调、局部CSI条件下显著提升网络吞吐量。

提出的方法

• 利用随机几何工具，建立具有泊松分布发射机和独立瑞利衰落信道的MANET模型。
• 在每个接收端应用迫零波束成形，以消除 $ L $ 个最强干扰信号，假设来自这些干扰源的局部CSI反馈可用。
• 推导出在中断概率 $ \theta $ 较小时的渐近传输容量量级 $ \tilde{C}(\theta) = \tilde{C}_0 \theta^{\frac{1}{L+1}} $，其中路径损耗指数为 $ \beta $，$ \theta $ 为SINR阈值。
• 利用Alzer不等式和不完全伽马函数的界，分析CSI不准确性对中断概率和速率损失的影响。
• 证明只要训练序列长度按 $ M = \frac{1+\rho}{\rho} \theta^{-\rho} $ 的方式随 $ \theta \to 0 $ 而增长（其中 $ \rho > 0 $），则由CSI不准确性引起的容量损失在渐近下可忽略。
• 推导出中断概率和速率损失的上界，以确定确保 $ \tilde{C}(\theta) $ 与完美CSI时渐近量级一致的训练序列长度 $ M $。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过迫零波束成形消除 $ L $ 个干扰信号，对多天线MANET中渐近传输容量量级有何影响？
• RQ2 不完美CSI对传输容量量级有何影响？该影响能否在渐近下被消除？
• RQ3 为确保CSI不准确性不影响渐近TC量级，所需训练序列长度是多少？
• RQ4 在固定中断概率 $ \theta $ 下，传输容量如何随 $ L $ 变化？其与路径损耗指数 $ \beta $ 的依赖关系如何？
• RQ5 在分布式、低协调的MANET环境中，空间干扰消除能否实现显著的吞吐量增益？

主要发现

• 当中断概率 $ \theta \to 0 $ 时，传输容量渐近量级为 $ \tilde{C}(\theta) = \tilde{C}_0 \theta^{\frac{1}{L+1}} $，表明其与 $ L $ 呈幂律依赖关系。
• 对于固定的 $ \theta $，传输容量随 $ \tilde{C}(\theta) = \tilde{C}_0 L^{1 - \frac{2}{\beta}} $ 增加，表明增益依赖于路径损耗指数 $ \beta $。
• 只要训练序列长度 $ M $ 按 $ M = \frac{1+\rho}{\rho} \theta^{-\rho} $ 的方式随 $ \theta \to 0 $ 增长（任意 $ \rho > 0 $），则CSI不准确性对传输容量渐近量级无影响。
• 数值结果表明，仅消除一个干扰信号（$ L=1 $）即可使传输容量提升一个数量级以上，即使在CSI不完美时亦成立。
• 为维持渐近TC量级，所需训练序列长度为 $ M = \frac{1+\rho}{\rho} \theta^{-\rho} + o(\theta^{-\rho}) $，可确保容量损失可忽略。
• 由CSI不准确性引起的容量损失被限制在 $ \tilde{C}(\theta) \times \frac{\text{loss terms}}{1-\theta} $ 范围内，且当 $ \theta \to 0 $ 时该损失趋于零，证实对CSI误差具有鲁棒性。