[論文レビュー] Performance Analysis of Hybrid ARQ with Incremental Redundancy over Amplify-and-Forward Dual-Hop Relay Channels

Ali Chelli, Amir Hadjtaieb+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2014

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、時間変動するレイノルズフェイジング環境下における増分冗長性を有するハイブリッドARQ（HARQ-IR）の増益・フォワーディング二ホップリレーネットワークにおける性能解析を実施し、 outage 確率、平均送信回数、平均送信レート、遅延、エネルギー効率について、正確な式および上限を導出する。主な貢献は、時間変動するレイノルズフェイジング下での包括的な情報理論的性能解析であり、モンテカルロシミュレーションにより検証されている。

ABSTRACT

In this paper, we consider a three node relay network comprising a source, a relay, and a destination. The source transmits the message to the destination using hybrid automatic repeat request (HARQ) with incremental redundancy (IR). The relay overhears the transmitted message, amplifies it using a variable gain amplifier, and then forwards the message to the destination. This latter combines both the source and the relay message and tries to decode the information. In case of decoding failure, the destination sends a negative acknowledgement. A new replica of the message containing new parity bits is then transmitted in the subsequent HARQ round. This process continues until successful decoding occurs at the destination or a maximum number $M$ of rounds is reached. We study the performance of HARQ-IR over the considered relay channel from an information theoretic perspective. We derive exact expressions and bounds for the information outage probability, the average number of transmissions, and the average transmission rate. Moreover, we evaluate the delay experienced by Poisson arriving packets over the considered relay network. We also provide analytical expressions for the expected waiting time, the sojourn time, and the energy efficiency. The derived exact expressions are validated by Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 時間変動するレイノルズフェイジングチャネル下における増益・フォワーディング二ホップリレーネットワークにおけるHARQ-IRの性能を解析すること。
• アウトージ確率、平均送信回数、平均送信レートなどの主要な性能指標について、正確な式および上限を導出すること。
• ポisson分布に従うパケットの到着を想定した遅延指標（平均待機時間および滞在時間）を評価すること。
• 最大M回のHARQ再送を制限したリレーアシストシステムにおけるHARQ-IRのエネルギー効率を調査すること。

提案手法

• ソース、増益・フォワーディングリレー、受信機から成る三ノードのリレーネットワークをモデル化し、レイノルズフェイジングチャネルを仮定する。
• HARQラウンド間でチャネルの変動が独立しており、遅延を制御するため最大Mラウンドまで送信を制限する。
• 受信機でソースとリレーからの信号を最大比合成により組み合わせることで、デコードのダイバーシティを向上させる。
• 指数分布確率変数の積を用いてアウトージ確率の正確な式を導出し、MeijerのG関数表現を用いる。
• メリン変換および逆メリン変換の技術を用いて確率密度関数および累積分布関数を導出する。
• パケットのキューイング動作をモデル化し、期待される待機時間および滞在時間を導出することで、遅延およびエネルギー効率を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間変動するフェイジング環境下における増益・フォワーディング二ホップリレーチャネルにおけるHARQ-IRの正確なアウトージ確率は何か？
• RQ2 SINRおよび最大HARQラウンド数Mなどのシステムパラメータとどのように相関し、平均送信回数が変化するか？
• RQ3 ポisson分布に従うパケットの到着を想定した場合、バッファ内での平均待機時間および滞在時間の解析的表現は何か？
• RQ4 提案されたリレーシステムにおけるHARQ-IRのエネルギー効率は、送信レートおよびHARQラウンド数にどのように依存するか？
• RQ5 増分冗長性を有するHARQ-IRにおける平均送信レートについて、上限および正確な式は何か？

主な発見

• 本稿では、MeijerのG関数表現を用いて、増益・フォワーディング二ホップリレーチャネルにおけるHARQ-IRのアウトージ確率について正確な式を導出する。
• アウトージ確率の上限が導出され、高SINR領域においてもきわめてタイトであり、性能評価に有用である。
• 平均送信回数はSINRおよび最大HARQラウンド数Mの関数として解析的に表現される。
• 平均送信レートは閉形式で導出され、チェイスコンビネーションと比較してスペクトル効率が向上していることが示される。
• ポisson分布に従うパケットの到着を想定した場合、バッファ内での平均待機時間および滞在時間は解析的に特徴づけられ、遅延解析が可能になる。
• エネルギー効率は、ビットあたりのエネルギーの解析的表現を導出し、信頼性、遅延、スペクトル効率のトレードオフを明らかにする。