[論文レビュー] On Outage Probability and Diversity-Multiplexing Tradeoff in MIMO Relay Channels

Sergey Loyka, Georgy Levin|Feb 25, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、i.i.d. および相関レイノールフェイジング下での単一アンテナリレーキャンセルを備えたMIMOリレーチャネルにおける閉形式のアウトージェ確率式を導出し、ダイバーシティ・multiplexingトレードオフ（DMT）を分析している。SNR漸近的DMTは追加の送信または受信アンテナによって変化しないが、有限SNRにおけるアウトージェ性能は追加の送信アンテナによって顕著に向上し、完全なリレープロセッシング能力を代替可能であり、10⁻³アウトージェ確率における最大10 dBのSNRゲインを達成できる。

ABSTRACT

Fading MIMO relay channels are studied analytically, when the source and destination are equipped with multiple antennas and the relays have a single one. Compact closed-form expressions are obtained for the outage probability under i.i.d. and correlated Rayleigh-fading links. Low-outage approximations are derived, which reveal a number of insights, including the impact of correlation, of the number of antennas, of relay noise and of relaying protocol. The effect of correlation is shown to be negligible, unless the channel becomes almost fully correlated. The SNR loss of relay fading channels compared to the AWGN channel is quantified. The SNR-asymptotic diversity-multiplexing tradeoff (DMT) is obtained for a broad class of fading distributions, including, as special cases, Rayleigh, Rice, Nakagami, Weibull, which may be non-identical, spatially correlated and/or non-zero mean. The DMT is shown to depend not on a particular fading distribution, but rather on its polynomial behavior near zero, and is the same for the simple "amplify-and-forward" protocol and more complicated "decode-and-forward" one with capacity achieving codes, i.e. the full processing capability at the relay does not help to improve the DMT. There is however a significant difference between the SNR-asymptotic DMT and the finite-SNR outage performance: while the former is not improved by using an extra antenna on either side, the latter can be significantly improved and, in particular, an extra antenna can be traded-off for a full processing capability at the relay. The results are extended to the multi-relay channels with selection relaying and typical outage events are identified.

研究の動機と目的

• 相関的および非同一レイノールフェイジング下での単一アンテナリレーキャンセルを備えたMIMOリレーチャネルにおけるアウトージェ確率の簡潔で閉形式の式を導出すること。
• アンテナ構成、リレーノイズ、相関性に依存する有限SNRにおけるアウトージェ確率性能を定量化すること。
• 非同一、相関的、非レイノールフェイジングを含む広範なフェイジング分布クラスに対して、SNR漸近的ダイバーシティ・multiplexingトレードオフ（DMT）を確立すること。
• DMTおよび有限SNRにおけるアウトージェ性能の観点から、アンプリファイ・アンド・フォワード（AF）およびデコード・アンド・フォワード（DF）プロトコルの性能を比較すること。
• マルチリレーセレクションコンビニエンスシステムに結果を拡張し、主要なアウトージェイベントおよび性能トレードオフを同定すること。

提案手法

• 固有値に基づくチャネル容量解析を用いて、単一アンテナリレーキャンセルを備えたMIMOリレーチャネルにおける正確な閉形式アウトージェ確率式を導出する。
• 低アウトージェ近似を適用し、相関性、SNR、リレーノイズ、リレー方式プロトコルの影響を抽出する洞察を得る。
• フェイジング分布がゼロ付近で示す多項式的挙動を分析することで、一般フェイジング分布に対するSNR漸近的DMTを確立する。
• 複数リレー間のセレクションコンビニエンスを用いてダイバーシティを向上させ、個々のリレーリンクのアウトージェ確率の積としてアウトージェ確率を導出する。
• AFおよびDFプロトコルを比較し、完全なリレープロセッシングがDMTを向上させないものの、有限SNRにおけるアウトージェ性能を顕著に向上させることを示す。
• AWGNに対するSNR損失を定量化し、特定の条件下で最大比率結合と同等であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェイジングリンク間の相関性が、MIMOリレーチャネルにおけるアウトージェ確率および有限SNR性能に与える影響は何か？
• RQ2 同じDMTを示すにもかかわらず、追加の送信アンテナと受信アンテナの両方が有限SNRにおけるアウトージェ確率に与える影響は何か？
• RQ3 DF方式における完全なリレープロセッシング能力は、アンプリファイ・アンド・フォワード（AF）方式と比較して、ダイバーシティ・multiplexingトレードオフ（DMT）を向上させるか？
• RQ4 セレクションコンビニエンス下で、リレー数の増加に伴いアウトージェ性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 SNR漸近的DMTフレームワークは、システム設計選択による有限SNR性能利得をどれほど正しく捉えていないか？

主な発見

• SNR漸近的DMTはAFおよびDFプロトコルで同一であり、フェイジング分布にかかわらず、完全なリレープロセッシング能力がDMTを向上させないことを示している。
• 有限SNRにおけるアウトージェ性能は、送信アンテナを追加することで顕著に向上し、完全なリレープロセッシング能力を代替可能であり、10⁻³アウトージェ確率における最大10 dBのSNRゲインを達成できる。
• 1×1と2×1 MIMOリレーチャネル間のアウトージェ確率比は、SNRが上昇するにつれて無限大に発散するため、追加の送信アンテナによる有限SNR利得が顕著であることが示唆される。
• チャネルがほぼ完全に相関している場合を除き、リンク間の相関性は影響をほとんど与えない。
• N個のリレーを用いたセレクションコンビニエンスにおけるアウトージェ確率はNに従って指数的に減少し、レイノールフェイジング下ではダイバーシティ次数N×min(m,n)を達成する。
• マルチリレーセレクションシステムのDMTは個々のDMTの和に等しく、片側のアンテナ数を増やしても、両リンクのDMTの最小値が変わらなければDMTは向上しない。