[論文レビュー] A Comparative Study of Relaying Schemes with Decode-and-Forward over Nakagami-m Fading Channels

George C. Alexandropoulos, Agisilaos Papadogiannis+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 15被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、独立かつ同一分布でない（INID）Nakagami-m fadingチャネル上でのデコード・アンド・フォワード（DF）リレーシンクス方式を評価する包括的な解析フレームワークを提示する。4つのリレーシンクス方式（2つの繰り返し送信方式と2つのリレーセレクション（RS）方式）について、 outage probability（OP）および平均符号誤り確率（ASEP）の閉形式式を導出しており、完全なチャネル状態情報（CSI）が利用可能な場合、RSベースの送信は常に繰り返し送信を上回ることを示している。また、直接リンクが十分に強い場合には、OPを最小化するためにリレーシンクスを無効化すべきであることを示している。

ABSTRACT

Utilizing relaying techniques to improve performance of wireless systems is a promising avenue. However, it is crucial to understand what type of relaying schemes should be used for achieving different performance objectives under realistic fading conditions. In this paper, we present a general framework for modelling and evaluating the performance of relaying schemes based on the decode-and-forward (DF) protocol over independent and not necessarily identically distributed (INID) Nakagami-m fading channels. In particular, we present closed-form expressions for the statistics of the instantaneous output signal-to-noise ratio of four significant relaying schemes with DF; two based on repetitive transmission and the other two based on relay selection (RS). These expressions are then used to obtain closed-form expressions for the outage probability and the average symbol error probability for several modulations of all considered relaying schemes over INID Nakagami-m fading. Importantly, it is shown that when the channel state information for RS is perfect, RS-based transmission schemes always outperform repetitive ones. Furthermore, when the direct link between the source and the destination nodes is sufficiently strong, relaying may not result in any gains and in this case it should be switched-off.

研究の動機と目的

• 現実的なINID Nakagami-mフェージング条件下での4つのデコード・アンド・フォワード（DF）リレーシンクス方式の性能を分析・比較すること。
• これらの方式について、 outage probability（OP）および平均符号誤り確率（ASEP）の閉形式式を導出すること。
• リレーセレクション（RS）が繰り返し送信を上回るチャネル条件を特定すること。
• 特に直接送信元から受信側リンクが強い場合に、OPを最小化するためにリレーシンクスを無効化すべきタイミングを調査すること。

提案手法

• INID Nakagami-mフェージングチャネル上でのDFリレーシンクスをモデル化する一般的な解析フレームワークを構築する。
• 2つの繰り返し送信方式と2つのRSベース方式の、4つのリレーシンクス方式の瞬時の出力信号対雑音比（SNR）統計の閉形式式を導出する。
• 受信側で最大比率合成（MRC）および選択結合（SC）の diversity combining を適用して性能を評価する。
• 導出されたSNR統計を用いて、さまざまな変調方式に対応するOPおよびASEPの閉形式式を計算する。
• 2種類のリレーセレクションを検討する：純粋なRS（最良のリレーセレクト）およびレート選択型RS（直接送信より容量向上が見込める場合にのみリレーセレクト）。
• 性能指標を評価するために、エンドツーエンドSNRの累積分布関数（CDF）および確率密度関数（PDF）などの統計的手法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのチャネル条件下でリレーセレクション（RS）がOPおよびASEPの観点で繰り返し送信を上回るのか？
• RQ2 RS用のチャネル状態情報（CSI）の品質が、RSベース方式と繰り返し送信方式との性能向上に与える影響は何か？
• RQ3 直接送信元から受信側リンクが強い場合、OPを最小化するためにリレーシンクスをいつ無効化すべきか？
• RQ4 フェージングの激しさ（mパラメータ）および平均SNRが、RSと繰り返し送信方式の性能向上に与える影響は何か？
• RQ5 リレー数（L）が、さまざまなリレーシンクス方式のOPおよび符号誤り性能に与える影響は何か？

主な発見

• 完全なCSIが利用可能な場合、リレーセレクション（RS）ベースの送信は、OPおよび平均符号誤り確率（ASEP）の両面で常に繰り返し送信を上回る。
• 繰り返し送信方式では、リレー数（L）の増加に伴い、特にフェージングが弱い状況（mが小さい、または平均SNRが低い）ではOPが著しく劣化する。
• それに対して、RSベース方式では、Lが増加してもOPは安定または改善され、最良のリレーセレクトにより性能が維持される。
• 直接送信元から受信側リンクが十分に強い場合には、リレーシンクスは性能向上をもたらさず、OPを最小化するために無効化すべきである。
• 強い直接リンクであっても、RSベースの送信はASEPの向上を示すため、誤り率性能の観点では常にリレーシンクスが有益である。
• フェージングの激しさ（mが大きい）および平均SNRが高い場合、RSと繰り返し送信方式の性能差は拡大し、特にリレーから受信側チャネルが直接リンクよりも有利な場合に顕著である。