[论文解读] Two-Way Transmission Capacity of Wireless Ad-hoc Networks

Rahul Vaze, Kien T. Truong+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于无线自组织网络的双向传输容量框架，考虑了在频分双工（FDD）系统中双向流量具有非对称速率需求的情况。该文推导出双向传输容量的紧致上下界，并确定了一种优于按比例分配的最优带宽分配策略，尤其在非对称流量下表现更优，同时量化了波束成形系统中有限反馈带来的容量损失。

ABSTRACT

The transmission capacity of an ad-hoc network is the maximum density of active transmitters per unit area, given an outage constraint at each receiver for a fixed rate of transmission. Most prior work on finding the transmission capacity of ad-hoc networks has focused only on one-way communication where a source communicates with a destination and no data is sent from the destination to the source. In practice, however, two-way or bidirectional data transmission is required to support control functions like packet acknowledgements and channel feedback. This paper extends the concept of transmission capacity to two-way wireless ad-hoc networks by incorporating the concept of a two-way outage with different rate requirements in both directions. Tight upper and lower bounds on the two-way transmission capacity are derived for frequency division duplexing. The derived bounds are used to derive the optimal solution for bidirectional bandwidth allocation that maximizes the two-way transmission capacity, which is shown to perform better than allocating bandwidth proportional to the desired rate in both directions. Using the proposed two-way transmission capacity framework, a lower bound on the two-way transmission capacity with transmit beamforming using limited feedback is derived as a function of bandwidth, and bits allocated for feedback.

研究动机与目标

• 将传输容量的概念扩展至双向无线自组织网络，考虑双向通信中不同方向具有不同速率需求的情况。
• 建立并分析双向通信中相关干扰的影响，其中两个方向的成功率相互依赖。
• 在频率分复用（FDD）系统下，假设瑞利衰落和泊松点过程节点分布，推导双向传输容量的紧致上下界。
• 确定在非对称流量场景下能最大化双向传输容量的最优带宽分配策略。
• 量化在使用有限反馈波束成形时相比理想（全知）反馈所导致的双向传输容量性能损失。

提出的方法

• 将发射机位置建模为泊松点过程（PPP），并假设上行链路与下行链路在独立的频段上具有独立的瑞利衰落。
• 推导出联合双向成功概率的紧致上下界，结果表明两者仅相差一个常数，从而实现对容量的精确表征。
• 利用随机几何和点过程理论工具分析干扰分布，并推导出传输容量的闭式上下界。
• 通过求解单变量凸优化问题，找到能最大化双向传输容量的最优带宽分配。
• 通过建模反馈开销，分析有限反馈在波束成形中的影响，并推导出作为反馈比特数和带宽函数的双向传输容量下界。
• 通过仿真验证理论边界，采用单向网络研究中的标准方法，参数包括路径损耗指数 α=4 和距离 d=5m。

实验结果

研究问题

• RQ1 当双向通信均需成功时，自组织网络的双向传输容量与单向容量相比如何？
• RQ2 在非对称速率需求下，何种上行与下行链路之间的最优带宽分配策略可使双向传输容量最大化？
• RQ3 与完美（全知）反馈相比，使用有限反馈波束成形对双向传输容量有何影响？
• RQ4 上行与下行链路干扰之间的相关性相较于独立干扰模型，会使双向传输容量降低多少？
• RQ5 能否为双向传输容量推导出紧致的解析边界，使其在常数因子范围内准确反映真实系统行为？

主要发现

• 在10%中断概率下，双向传输容量显著低于单向容量——在总带宽和数据速率相同的情况下，仅为单向容量的一半。
• 对于对称流量（双向速率相等），按比例带宽分配是最优的，但在非对称流量下性能较差。
• 通过凸优化推导出的最优带宽分配策略在非对称场景下相比按比例分配可提升36%的容量（例如，每方向从0.056 kbits提升至1.024 kbits）。
• 所推导的双向传输容量上下界仅相差一个常数，证实了边界的紧致性，从而可实现对容量的精确表征。
• 在有限反馈波束成形下，双向传输容量相比全知反馈显著降低，尤其当反馈开销占用大量带宽时更为明显。
• 推导出有限反馈下双向传输容量的下界，作为带宽和反馈比特数的函数，清晰展示了反馈开销与可实现容量之间的权衡。