[論文レビュー] Opportunistic Relaying for Space-Time Coded Cooperation with Multiple Antenna Terminals

Behrouz Maham, Are Hjørungnes|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2011

Cooperative Communication and Network Coding被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、複数アンテナを備えた端末を備えた増幅・再放送（A&F）分散空間時間符号化（DSTC）協調MIMOネットワークにおけるオポチュニスティックリレーシング方式を提案する。最良のリレートップスを選び、送信アンテナ間でパワー割り当てを最適化することで、$ R\min\{N_s, N_d\} $ のダイバーシティ次数を達成し、$ R=2 $、$ N_s=2 $、$ N_d=1 $ の場合に、従来のA&F DSTCと比較して、BER $10^{-4}$ におけるSNRゲインが6 dB以上向上する。

ABSTRACT

We consider a wireless relay network with multiple antenna terminals over Rayleigh fading channels, and apply distributed space-time coding (DSTC) in amplify-and-forward (A&F) mode. The A&F scheme is used in a way that each relay transmits a scaled version of the linear combination of the received symbols. It turns out that, combined with power allocation in the relays, A&F DSTC results in an opportunistic relaying scheme, in which only the best relay is selected to retransmit the source's space-time coded signal. Furthermore, assuming the knowledge of source-relay CSI at the source node, we design an efficient power allocation which outperforms uniform power allocation across the source antennas. Next, assuming M-PSK or M-QAM modulations, we analyze the performance of the proposed cooperative diversity transmission schemes in a wireless relay networks with the multiple-antenna source and destination. We derive the probability density function (PDF) of the received SNR at the destination. Then, the PDF is used to determine the symbol error rate (SER) in Rayleigh fading channels. We derived closed-form approximations of the average SER in the high SNR scenario, from which we find the diversity order of system RminfNs;Ndg, where R, Ns, and Nd are the number of the relays, source antennas, and destination antennas, respectively. Simulation results show that the proposed system obtain more than 6 dB gain in SNR over A&F MIMO DSTC for BER 10^{-4}, when R = 2, Ns = 2, and Nd = 1.

研究の動機と目的

• 分散協調によるバーチャルMIMO効果を実現することで、多アンテナ協調無線ネットワークにおける限られた電力およびハードウェア制約の課題に対処する。
• 多アンテナ送信端末における均等なパワー割り当ての非効率性を克服するため、最適化されたパワー割り当て戦略を設計する。
• オポチュニスティックリレーセレクションを用いて、複数アンテナ端末を備えた増幅・再放送（A&F）リレーネットワークで完全なダイバーシティゲインを達成する。
• 実用的なCSI制約下で、レイノルズフェージングチャネルにおけるM-PSKおよびM-QAM変調の符号誤り率（SER）の閉形式解析を提供する。
• 提案手法が理論的ダイバーシティ次数 $ R\min\{N_s, N_d\} $ を達成することを実証し、そのロバスト性を検証する。

提案手法

• 各リレータが受信信号のスケーリング線形結合を再送信する増幅・再放送（A&F）モードで分散空間時間符号化（DSTC）を適用する。
• 送信元-リレーリンクの瞬時のチャネル状態情報（CSI）に基づいて、最良のリレータのみを選択することでオポチュニスティックリレーシングを実装し、フィードバックと計算複雑度を低減する。
• 送信元が送信元-リレーリンクのCSIを活用して性能を向上させる、効率的なパワー割り当て戦略を設計する。
• 送信元-リレーリンクおよびリレー-受信端末リンクのチャネル利得の積を用いて、受信端末におけるエンドツーエンドの信号対雑音比（SNR）の確率密度関数（PDF）を導出する。
• 導出されたSNRのPDFを用いて、レイノルズフェージング下でのM-PSKおよびM-QAM変調の平均符号誤り率（SER）を計算する。
• 高SNR領域における平均SERの閉形式近似を導出するための漸近的解析を適用し、ダイバーシティ次数の解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数アンテナ端末を備えたA&F DSTCシステムにおけるオポチュニスティックリレーセレクションは、完全なダイバーシティゲインを達成できるか？
• RQ2 送信アンテナ間での最適化パワー割り当ては、均等なパワー割り当てと比較して、システム性能をどのように向上させるか？
• RQ3 提案されたA&F DSTC協調システムが複数アンテナ端末を備える場合の正確なダイバーシティ次数は何か？
• RQ4 高SNR領域におけるM-PSKおよびM-QAMの平均SERの閉形式近似は何か？
• RQ5 実用的状況下で、従来のA&F DSTCと比較して、提案手法は誤り率をどの程度低減できるか？

主な発見

• 提案手法は、$ R\min\{N_s, N_d\} $ のダイバーシティ次数を達成し、協調MIMOリレーネットワークにおける完全なダイバーシティゲインを確認した。
• $ R=2 $、$ N_s=2 $、$ N_d=1 $ の場合に、従来のA&F DSTCと比較して、BER $10^{-4}$ におけるSNRゲインが6 dB以上向上した。
• 高SNR領域における閉形式SER近似は、システム性能を正確に予測でき、理論的解析を可能にする。
• 送信元で送信元-リレーリンクのCSIを活用する最適化パワー割り当て戦略は、均等なパワー割り当てを著しく上回る性能を示した。
• エンドツーエンドSNRのPDFは、独立したフェージング利得とガンマ分布に従うリレー-受信端末チャネルの積を用いて導出された。
• 解析により、システムの誤り性能は、送信元-リレーリンクおよびリレー-受信端末リンクのうち最も弱いリンクに支配されていることが確認され、オポチュニスティック選択とパワー制御によってこれを緩和できることが示された。