[論文レビュー] On the Outage Behavior of Asynchronous OFDM DF and AF Cooperative Networks

Mehdi Torbatian, Mohamed Oussama Damen|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2009

Cooperative Communication and Network Coding被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、デコードアンドフォワード（DF）およびアンプリファイアンドフォワード（AF）リレープロトコルを用いた非同期OFDMベースの協調ネットワークのアウトージー特性を分析している。非同期OFDMは、DFプロトコルではより高い分岐増益を達成し、NAFプロトコルでは優れたDMT性能を示すことが実証された。特に、シングルリレーセットアップではMISOに類似した分岐増益を達成する。同期型の対応物と比較して優れた性能を示す。

ABSTRACT

The outage behavior of various relaying protocols over a general one hop asynchronous cooperative network is examined when orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is used to combat synchronization error among the relays. We consider non-orthogonal selection decode-and-forward (NSDF), orthogonal selection decode-and-forward (OSDF), non-orthogonal amplify-and-forward (NAF), and orthogonal amplify-and-forward (OAF) relaying protocols and analyze the diversity multiplexing gain tradeoff (DMT) in all scenarios. The transmitting nodes cooperatively construct an asynchronous OFDM space-time code by re-sending the source messages over a common time interval and a common frequency bandwidth. It is shown that in decode-and-forward (DF) type protocols, the asynchronous network provides a diversity gain greater than or equal to the one of the corresponding synchronous network in the limit of code word length and throughout the range of multiplexing gain. In amplify-and-forward (AF) type protocols, in which the relays are only allowed to preform linear transformations over the received signals, the asynchronous OFDM OAF protocol provides the same DMT as that of the corresponding synchronous counterpart; however, the asynchronous OFDM NAF protocol provides better DMT than traditional NAF for large length code words and throughout the range of the multiplexing gain. In particular, in a single relay network, the asynchronous OFDM NAF provides DMT as great as the one of a 2x1 multiple input single output (MISO) channel.

研究の動機と目的

• 非同期伝送がOFDMベースの協調ネットワークのアウトージー性能に与える影響を調査すること。
• デコードアンドフォワード（DF）およびアンプリファイアンドフォワード（AF）リレープロトコルを用いた非同期OFDMシステムにおける分岐増益・多重度トレードオフ（DMT）を分析すること。
• 非同期OFDMプロトコルのDMT性能を同期型の対応物と比較すること。
• 非同期シグナリングが分岐増益および信頼性の観点で同期型システムを上回るか、同等の性能を達成できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 著者らは、リレーや受信機が非同期に動作する1ホップ協調ネットワークをモデル化し、周波数選択フェージングおよびタイミングオフセットを低減するためにOFDMを用いる。
• 送信ノードは、共有された時間周波数リソースブロック上でソース信号を再送信することで、非同期OFDM空間時間符号を協調的に構築する。
• 本研究では4つのリレープロトコルを評価する：非直交および直交のデコードアンドフォワード（NSDF, OSDF）およびアンプリファイアンドフォワード（NAF, OAF）。
• 各プロトコルのDMTは、高SNR領域および漸近的符号語長におけるアウトージー確率の分析により導出される。
• 分析では、AFプロトコルにおけるリレーでの線形処理と、DFプロトコルにおけるリレーでの完全復調を仮定する。
• 性能は同期型の対応物および比較のための2x1 MISOチャネルと比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非同期OFDM協調通信は、デコードアンドフォワードプロトコルにおいて、同期型OFDM協調通信よりも優れた分岐増益を達成するか？
• RQ2 非同期OFDMアンプリファイアンドフォワードプロトコルは、従来のAFプロトコルよりも優れた分岐増益・多重度トレードオフを達成できるか？
• RQ3 非同期OFDM NAFプロトコルのDMT性能は、2x1 MISOチャネルと比較してどうなるか？
• RQ4 OFDMは協調ネットワークにおけるタイミング非同期の影響をどのように軽減するか？
• RQ5 非同期OFDMシステム全体の多重度ゲイン範囲において、根本的な性能向上が見られるか？

主な発見

• デコードアンドフォワード（DF）プロトコルにおいて、非同期OFDMシステムは、符号語長が長くなるに従い、同期型システムと同等以上に高い分岐増益を達成する。
• アンプリファイアンドフォワード（AF）プロトコルにおいて、非同期OFDM OAFプロトコルは、同期型の対応物と同一のDMTを達成する。
• 非同期OFDM NAFプロトコルは、すべての多重度ゲイン範囲および長符号語長において、従来のNAFを上回る性能を示す。
• シングルリレーケースでは、非同期OFDM NAFプロトコルは2x1多重入力単一出力（MISO）チャネルと同等のDMTを達成する。
• 非同期DFシステムにおける分岐増益の向上は、全多重度ゲイン範囲にわたり一貫している。
• OFDMベースの協調通信は、タイミング非同期の影響を効果的に低減でき、完全な同期がなくても堅牢な性能を実現できる。