[論文レビュー] MmWaves Cellular V2X for Cooperative Diversity Relay Fast Fading Channels

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 45被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、高速移動車両環境における速やかな fading を克服するために、デコードアンドフォワード（DF）協調リレーサービスを用いたミリ波（mmWave）セルラーV2X（Vehicle-to-Everything）システムを提案する。最大比合成（MRC）と最大比送信（MRT）を採用することで、分 diversity gain を達成し、Jakesの速やかな fading モデル下で、中止確率、シンボル誤り率、およびエゴード的容量の閉形式式を導出。これにより、分 diversity およびコーディング gain に関する重要な知見が得られる。

ABSTRACT

In this work, we present a framework analysis of millimeter waves (mmWaves) vehicular communications systems. Communications between vehicles take place through a cooperative relay which acts as an intermediary base station (BS). The relay is equipped with multiple transmit and receive antennas and it employs decode-and-forward (DF) to process the signal. Also, the relay applies maximal ratio combining (MRC), and maximal ratio transmission (MRT), respectively, to receive and forward the signal. As the vehicles' speeds are relatively high, the channel experiences a fast fading and this time variation is modeled following the Jakes' autocorrelation model. We also assume narrowband fading channel. Closed-form expressions of the reliability metrics such as the outage probability, the probability of error and the channel capacity are derived. Capitalizing on these performances, we derive the low and high power regimes for the capacity, and the high signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) asymptotes for the outage and error probability to get full insights into the system gains such as the diversity and coding gains.

研究の動機と目的

• 5G以降の通信において、mmWave帯域を活用することで、車両通信ネットワークにおけるスケジューリングの不足と高データレート要件を満たす。
• 高経路損失、遮断、速やかな fading といった mmWave 伝搬の課題を、高速移動車両環境における協調リレーリングによって軽減する。
• Jakesの自己相関モデルを用いた速やかな fading 下で、リレーサービス付き mmWave V2X システムの性能を分析する。
• 中止確率、シンボル誤り率、エゴード的容量といった主要な信頼性指標の閉形式式を導出する。
• 高SINR漸近解析とパワー領域解析から、分 diversity およびコーディング gain を抽出する。

提案手法

• mmWave V2X チャネルを、リレ一が中継基地局として機能する二ホップのデコードアンドフォワード（DF）リレーシステムとしてモデル化する。
• 受信信号の分 diversity gain を得るためにリレーで最大比合成（MRC）を適用し、信号送信時のビームフォーミングのために最大比送信（MRT）を適用する。
• 高速なドップラー拡散（高車両速度に起因）を反映させるために、Jakesの自己相関モデルを用いて速やかな fading をモデル化する。
• 一般化された Meijer-G 関数および Fox H 関数を用いて、中止確率、シンボル誤り率、エゴード的容量の閉形式式を導出する。
• 高SINRおよび高/低パワー領域における漸近解析を実施し、分 diversity およびコーディング gain を抽出する。
• 性能評価のための累積分布関数および積分を表現するために、特殊関数（Meijer-G 関数および Fox H 関数）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MRC/MRT を用いた協調リレーリングは、速やかな fading 下における mmWave V2X システムの信頼性をどのように向上させるか？
• RQ2 DFリレーシステムにおける mmWave V2X システムの、中止確率、シンボル誤り率、エゴード的容量の閉形式式は何か？
• RQ3 高SINR領域で達成される分 diversity およびコーディング gain は何か？また、それらはシステムパrameter にどのように依存するか？
• RQ4 低および高送信パワー領域では、リレーサービス付き mmWave V2X システムのエゴード的容量にどのような影響を与えるか？
• RQ5 チャネル相関および fading 統計（Jakesのモデル）は、協調リレーを用いた mmWave V2X の性能にどのような影響を与えるか？

主な発見

• MRC および MRT の使用により、システムは完全な分 diversity gain を達成し、分 diversity 階数はアンテナ数および fading パrameter に依存する。
• 中止確率およびシンボル誤り率は、高SINR領域で分 diversity gain を示し、両ホップの有効分 diversity gain の合計に等しい。
• Meijer-G 関数および Fox H 関数を用いて、エゴード的容量を閉形式で導出。これにより、速やかな fading 下での正確な性能評価が可能になる。
• 高パワー領域の解析から、容量はSNRに対して対数的に増加することが判明。高帯域幅にもかかわらず、スペクトル効率の制限が示唆される。
• 低パワー領域では、容量が平均SNRとアンテナ数の積に比例することが示され、アレイゲインの重要性が強調される。
• 漸近解析により、コーディング gain がリレーのアンテナ構成およびチャネル相関に影響を受けることが確認され、$ N_i m_i $ および $ M_{r,i} m_{r,i} $ が大きいほどより高い gain が達成される。