[論文レビュー] Outage Performance of Two-Hop OFDM Systems with Spatially Random Decode-and-Forward Relays

Shuping Dang, Justin P. Coon+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2017

Cooperative Communication and Network Coding被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ポアソン点過程モデルを用いて空間的にランダムなデコードアンドフォワードリレーセルフの2ホップOFDMシステムのアウトージー性能を分析する。バッチおよび各サブキャリアごとのリレーセレクションにおける正確かつ漸近的なアウトージー確率の式を導出するとともに、三値のダイバーシティゲイン特性（0、1、または無限大）を明らかにし、最適なサブキャリア数を選択することでシステムスルーレートを最大化する凹型最適化問題を定式化する。

ABSTRACT

In this paper, we analyze the outage performance of different multicarrier relay selection schemes for two-hop orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems in a Poisson field of relays. In particular, special emphasis is placed on decode-and-forward (DF) relay systems, equipped with bulk and per-subcarrier selection schemes, respectively. The exact expressions for outage probability are derived in integrals for general cases. In addition, asymptotic expressions for outage probability in the high signal-to-noise ratio (SNR) region in the finite circle relay distribution region are determined in closed forms for both relay selection schemes. Also, the outage probabilities for free space in the infinite relay distribution region are derived in closed forms. Meanwhile, a series of important properties related to cooperative systems in random networks are investigated, including diversity, outage probability ratio of two selection schemes and optimization of the number of subcarriers in terms of system throughput. All analysis is numerically verified by simulations. Finally, a framework for analyzing the outage performance of OFDM systems with spatially random relays is constructed, which can be easily modified to analyze other similar cases with different forwarding protocols, location distributions and/or channel conditions.

研究の動機と目的

• 現実のネットワーク環境における空間的にランダムなリレーセルフを有するOFDMシステムの分析が不足しているという問題に取り組む。
• 実際の展開の動的かつランダムな性質を反映させるために、リレーサイトをポアソン点過程でモデル化する。
• バッチおよび各サブキャリアごとのリレーセレクション方式の両方について、正確および漸近的アウトージー確率の式を導出する。
• ダイバーシティゲイン、選択方式間の性能比、最適なサブキャリア割り当てといった主要なシステム特性を調査する。
• 他のプロトコル、チャネルモデル、リレーデータ分布にも適用可能な一般化可能なフレームワークを構築する。

提案手法

• 2次元平面上に、固定位置に配置された送信機および受信機を想定し、リレーサイトを均一なポアソン点過程（PPP）としてモデル化する。
• リレーサイトが信号をデコードし、OFDMサブキャリア上でフォワードする2ホップデコードアンドフォワード（DF）リレープロトコルを用いる。
• 一般のリレーデンシティおよび領域に対して、順序統計とPPPの性質を用いて積分形式で正確なアウトージー確率を導出する。
• 高SNRにおける漸近的解析を適用し、有限および無限リレーエリアに対して閉形式の式を得る。
• リレーデンシティが小さい場合に、アウトージー式における指数関数項の級数展開を用いて性能を近似する。
• システムスルーレートの最大化問題を、サブキャリア数に関する凹型最適化問題として定式化し、サブキャリア数に関して凹関数であることを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的にランダムなリレーサイトを有する2ホップOFDMシステムにおいて、バッチおよび各サブキャリアごとのリレーセレクションにおける正確なアウトージー確率は何か？
• RQ2 有限および無限リレーデータ領域における高SNR領域でのアウトージー確率の挙動はどのように変化するか？
• RQ3 ポアソン分布を用いたリレーネットワークにおけるダイバーシティゲインは何か？また、それが三値的特性（0、1、または無限大）として特徴付けられるか？
• RQ4 リレーデンシティに依存する、各サブキャリア選択とバッチ選択の性能比はどのように変化するか？
• RQ5 信頼性制約のもとで、システムスルーレートを最大化する最適なサブキャリア数は何か？

主な発見

• バッチおよび各サブキャリア選択の両方について、一般系において積分形式で正確なアウトージー確率が導出された。
• 有限領域における高SNR領域では閉形式の漸近的アウトージー式が導出され、自由空間（無限領域）では正確な閉形式式が得られた。
• ポアソンランダムネットワークにおけるダイバーシティゲインが三値的であることが証明された：リレーデンシティおよびシステムパラメータに応じて、0、1、または無限大のいずれかに分類される。
• 2種類の選択方式間のアウトージー確率比とリレーデンシティとの間の近似関係が導出され、スパースネットワークでは各サブキャリア選択がバッチ選択を上回ることを示した。
• 最適なサブキャリア数を選択することでシステムスルーレートを最大化する凹型最適化問題が定式化され、サブキャリア数に関して凹関数であることが証明された。
• 信頼性制約のもとでスルーレート最大化問題が実行可能となるカットオフリレーデンシティの近似式が導出された。