Performance of Optimum Combining in a Poisson Field of Interferers and Rayleigh Fading Channels

This paper studies the performance of antenna array processing in distributed multiple access networks without power control. The interference is represented as a Poisson point process. Desired and interfering signals are subject to both path-loss fading (with an exponent greater than 2) and to independent Rayleigh fading. Using these assumptions, we derive the exact closed form expression for the cumulative distribution function of the output signal-to-interference-plus-noise ratio when optimum combining is applied. This results in a pertinent measure of the network performance in terms of the outage probability, which in turn provides insights into the network capacity gain that could be achieved with antenna array processing. We present and discuss examples of applications, as well as some numerical results.Comment: Submitted to IEEE Trans. on Wireless Communication (Jan. 2009

Analyse du potentiel des techniques de traitement de signal avancées dans les réseaux AD HOC

Résumé Un réseau ad hoc mobile est un réseau formé par un ensemble d'unités sans fil et mobiles sans l'aide d'une infrastructure préétablie. La caractéristique fondamentale des réseaux ad hoc mobiles est que les conditions dans lesquelles ils subsistent sont hautement dynamiques. La qualité des communications est limitée par les phénomènes physiques d'évanouissement de signal et les interférences provenant de l'accès simultané à l'interface radio. Généralement, les études des réseaux ad hoc sont menées avec une abstraction simplifiée de la couche physique. Ainsi, les performances du réseau sont surestimées par rapport aux conditions réelles. D'un autre côté, elles sont sous-estimées du fait qu'on ne considère pas complètement les stratégies offertes par la couche physique. Le travail mené durant la thèse consiste à répondre à la problématique suivante: quels sont les limites et les apports des techniques de traitement de signal avancées sur la capacité et les performances des réseaux ad hoc? La modélisation de l'interférence dans un environnement dynamique et décentralisé est complexe. Dans la littérature, plusieurs modèles tentent de simplifier ou même de négliger les phénomènes de la couche physique. Dans cette thèse, nous avons considéré un modèle relativement récent dans la littérature et qui découle de la théorie de la géométrie stochastique. Ce type de modélisation permet d'incorporer les effets de la propagation radio à petite et à grande échelle et surtout les différentes technologies de détection et de traitement de signal. Dans la première partie de ce travail, nous avons identifié des techniques de traitement de signal qui ont le potentiel de remédier au problème de l'interférence. Précisément, nous avons considéré l'analyse de la technique de soustraction successive de l'interférence et la technologie des antennes multiples. Ce travail a abouti à des résultats analytiques qui expriment directement la qualité des liens entre les paires émetteur-récepteur en fonction, d'une part, des configurations du réseau, en termes du nombre d'unités, du type et de la charge du trafic des données ainsi que de la qualité de service minimale exigée, et d'autre part, des caractéristiques de la couche physique en termes des paramètres de l'environnement de propagation et du type du détecteur utilisé. Ces résultats analytiques permettent de quantifier l'amélioration du rapport signal à interférence plus bruit procurée en fonction du nombre d'antennes utilisées et de l'algorithme de traitement de signal appliqué. Ainsi, ces résultats relient les paramètres de la couche physique aux paramètres des couches supérieures. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons élaboré une étude des performances de stratégies de communication opportunistes, et ce à partir des résultats développés dans la première partie. Cette étude a mené à une quantification des performances des approches opportunistes en termes de débit et de délai du réseau. Les résultats analytiques ont permis entre autre d'identifier les valeurs des paramètres du réseau qui aboutissent à son mode de fonctionnement optimal, c'est-à-dire des valeurs qui permettent de minimiser le délai moyen et de maximiser le débit global des communications.----------Abstract In wireless communications energy and spectrum resources are scarce and expensive, they must be efficiently managed to address the growing requirement of emerging applications. Intensive works have been dedicated to develop advanced processing technologies to improve the spectral efficiency. In decentralized multiple access system such as ad hoc network, interference represents the major performance inhibitor. Thus interference mitigating is one of the major research subjects in recent years. Several solutions have been proposed that consists on exploiting the particular structure of the interference which depends on the physical layer used. In fact, technologies like spread spectrum and multiple antennas provide a number of degrees of freedom that when properly exploited increase the system tolerance to interference. This thesis address the issue of quantifying the performance gain that can be achieved by using advanced signal processing technologies in the context of Ad Hoc networks, namely, interference cancellation and adaptive antenna array systems. In the context of spread spectrum different multiuser receiver schemes was introduced. The well known Minimum Mean Square Error, MMSE, is the multiuser receiver that maximizes the Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR. The equivalent solution in the context of antenna array is known as Optimum Combining, OC, receiver. Studying the reliability of this receiver is an important issue and has been the subject of extensive work in the literature. Despite this, there is still much work to do to understand their limits in many contexts. In the first part, we derive the outage probability for the interference cancellation receiver and the optimum combining receiver. In the second part we establish an analysis of a number of opportunistic routing strategies and we quantify the performance gains achieved by employing adaptive antenna array systems in a multi-hop network