[論文レビュー] Adaptive OFDM Index Modulation for Two-Hop Relay-Assisted Networks

Shuping Dang, Justin P. Coon+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 39被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、遅い周波数選択フェージングに耐えるために、チャネル状態情報に基づいてサブキャリアの活性化パターンを動的に選択する、2ホップリレーネットワーク向けの適応的OFDMインデックスモデュレーション方式を提案する。送信側またはリレーデバイスでのマッピング方式の適応により、従来のOFDM IMと比較して、システムの信頼性とスペクトル効率が向上し、分 diversity gain と改善された誤り性能を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we propose an adaptive orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) index modulation (IM) scheme for two-hop relay networks. In contrast to the traditional OFDM IM scheme with a deterministic and fixed mapping scheme, in this proposed adaptive OFDM IM scheme, the mapping schemes between a bit stream and indices of active subcarriers for the first and second hops are adaptively selected by a certain criterion. As a result, the active subcarriers for the same bit stream in the first and second hops can be varied in order to combat slow frequency-selective fading. In this way, the system reliability can be enhanced. Additionally, considering the fact that a relay device is normally a simple node, which may not always be able to perform mapping scheme selection due to limited processing capability, we also propose an alternative adaptive methodology in which the mapping scheme selection is only performed at the source and the relay will simply utilize the selected mapping scheme without changing it. The analyses of average outage probability, network capacity and symbol error rate (SER) are given in closed form for decode-and-forward (DF) relaying networks and are substantiated by numerical results generated by Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 遅い周波数選択フェージング下で固定マッピング方式に起因する制限を解消すること。
• チャネル状態情報に基づく動的サブキャリア活性化により、2ホップリレーネットワークにおけるシステムの信頼性とスペクトル効率を向上させること。
• リレーデバイスの処理能力に応じた、1つは送信側で集中管理する、もう1つはリレーデバイスで分散処理する、2つの実用的なマッピング方式選択手法を提案すること。
• 変調方式の選択に伴う主要な性能指標、すなわち中断確率、ネットワーク容量、およびシンボル誤り率を、変調方式の選択に伴う性能指標として分析すること。

提案手法

• 送信側およびリレーデバイスにおける瞬時のCSIに基づき、各送信ブロックあたりの活性サブキャリア数を可変として、どのサブキャリアを活性化するかを適応的に選択する。
• すべてのサブキャリアが非活性となる「ゼロ活性サブキャリア」問題を解消するため、必要に応じて振幅および位相変調（APM）に切り替える二モード伝送プロトコルを導入する。
• リレーデバイスの処理能力に応じた2つのマッピング方式選択戦略を提案する：集中型（リレーが適応）と分散型（送信側が適応し、リレーは変更なしに転送）。
• 平均中断確率、ネットワーク容量、およびシンボル誤り率（SER）について、閉形式の式を導出する。さらに、高SNRにおける漸近的解析により、分 diversity gain を明らかにする。
• サブキャリア選択と活性サブキャリア間の最小チャネルゲインをモデル化するために、組み合わせ確率論を活用し、正確な中断確率評価を実現する。
• モンテカルロシミュレーションにより、解析結果を検証し、従来のOFDM IMおよびFPSK方式と比較して性能向上を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CSIに基づく適応的サブキャリアマッピングは、周波数選択フェージング下の2ホップOFDMリレーネットワークにおいて、信頼性をどのように向上させるか？
• RQ2 リレーデバイスの処理能力は、適応的OFDM IMにおけるマッピング方式選択戦略の設計にどのような影響を及えるか？
• RQ3 中断確率、容量、SERについての提案された閉形式式は、従来のOFDM IMと比較して、性能および分 diversity gain の観点でどのように異なるか？
• RQ4 二モード伝送プロトコルは、ゼロ活性サブキャリア問題をどのように解消するか？
• RQ5 固定マッピング方式と比較して、適応的マッピング選択は、スペクトル効率および誤り性能をどの程度向上させるか？

主な発見

• 提案された適応的OFDM IM方式は、CSIに基づくサブキャリア選択により分 diversity gain を達成し、遅いフェージング環境下での信頼性を向上させる。
• 平均中断確率およびネットワーク容量について、閉形式の式を導出。高SNRにおける漸近的解析により、分 diversity 階数が確認された。
• 平均シンボル誤り率（SER）は、高SNRにおいて高い精度で閉形式で近似可能であり、解析モデルの妥当性が裏付けられた。
• 数値的結果から、適応的方式は従来のOFDM IMおよびFPSK方式と比較して、誤り性能および信頼性の面で優れていることが示された。
• リレーが適応する集中型マッピング方式選択は、サブキャリア選択における追加の自由度のおかげで、分散型方式よりも優れた誤り性能を示した。
• 二モード伝送プロトコルは、サブキャリアがすべて非活性であっても信頼性の高い通信を保証する観点で、ゼロ活性サブキャリア問題を効果的に解消した。