[論文レビュー] Optimal Relay Power Allocation for Amplify-and-Forward Relay Networks with Non-linear Power Amplifiers

Chao Zhang, Pinyi Ren+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、非線形パワー増幅器（PA）を備えたアンプアンドフォワード（AF）リレーネットワークにおける最適リレー送信電力割り当て方式を提案する。非線形歪みを等価線形システムとしてモデル化するため、Bussgang線形化を活用している。全送信電力制約下で、最大比率結合を用いた非線形歪みに配慮した受信機を設計し、凹型最適化問題を定式化することで、エンドツーエンドのSINRを最大化し、特に非線形歪みが支配的になる高SNR領域において、システム容量を顕著に向上させる。

ABSTRACT

In this paper, we propose an optimal relay power allocation of an Amplify-and-Forward relay networks with non-linear power amplifiers. Based on Bussgang Linearization Theory, we depict the non-linear amplifying process into a linear system, which lets analyzing system performance easier. To obtain spatial diversity, we design a complete practical framework of a non-linear distortion aware receiver. Consider a total relay power constraint, we propose an optimal power allocation scheme to maximum the receiver signal-to-noise ratio. Simulation results show that proposed optimal relay power allocation indeed can improve the system capacity and resist the non-linear distortion. It is also verified that the proposed transmission scheme outperforms other transmission schemes without considering non-linear distortion.

研究の動機と目的

• 非線形パワー増幅器（PA）による歪みがAFリレーネットワークの性能を低下させることに対処すること。
• 最大比率結合を用いて空間 diversity を回復可能な、非線形歪みに配慮した実用的な受信機フレームワークの開発。
• 全リレー電力制約下でエンドツーエンドの信号対雑音比（SNR）を最大化する最適リレー電力割り当て問題を定式化・解明すること。
• 非線形歪みを無視した電力割り当てでは、特に高SNR領域で性能が劣化することを示すこと。
• 非対称および対称リレーネットワークの両方において、従来の電力割り当て戦略に比べて本手法の優位性を検証すること。

提案手法

• 非線形PAを等価線形システムにモデル化するBussgang線形化理論を用い、性能解析を容易にする。
• 非線形歪みモデルを組み込み、複数のリレー経路にわたる最大比率結合を適用することで、受信側での等価SINRを導出する。
• 非線形PAの影響を考慮した等価チャネル推定手法を設計し、受信機の精度を向上させる。
• 全リレー電力制約下で平均受信SINRを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 有効な電力範囲内では最適化問題が凹型であることを証明し、ラグランジュ乗数法による最適解の導出が可能であることを示す。
• 統計的チャネル状態情報に基づき、水補填アルゴリズムを適用してリレー間で電力を割り当て、多様性と非線形歪み耐性の両方を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形PA歪みは、特にSINRおよびシステム容量の観点から、アンプアンドフォワードリレーネットワークにどのように影響を与えるか？
• RQ2 実用的な受信機設計において、PA由来の非線形歪みを効果的にモデル化・補償可能か？ これにより空間 diversity が回復可能か？
• RQ3 全電力制約下で非線形PAの影響を考慮しつつ、エンドツーエンドSINRを最大化する最適リレー電力割り当て戦略は何か？
• RQ4 非線形歪みを無視する従来の電力割り当て戦略と比較して、本手法はスペクトル効率およびロバストネスの観点でどのように優れているか？
• RQ5 チャネルゲインがリレー間で著しく異なる非対称リレーネットワークにおいても、本手法は性能優位性を維持できるか？

主な発見

• 提案された最適電力割り当て方式は、非線形歪みを無視する従来手法と比較して、特に高SNR領域において顕著にシステム容量を向上させる。
• SNR ≥ 18 dB では、提案手法は一定の容量を維持するが、NLPA-TWF や NLPA-EPA は過剰な非線形歪みにより容量が低下する。
• 非対称リレーネットワークにおいて、提案手法はNLPA-TWFおよびNLPA-EPAを常に上回り、チャネルゲインの変動に対してもロバストであることを示した。
• 低SNR領域では、提案手法はNLPA-EPAと比較して顕著な容量ギャップを示し、非線形歪みが最小限であっても優れた性能を発揮する。
• 最適化問題は有効な電力範囲内で凹型であるため、ラグランジュ乗数法によりグローバル最適解が得られ、収束性と信頼性が保証される。
• シミュレーション結果から、本手法が非線形歪みに対して効果的に耐性を持ち、リレー電力を最適に割り当てた場合、理想線形PAベースの手法（LPA-TWF）に近い性能に到達することが確認された。