[論文レビュー] Performance Analysis of M-QAM Multihop Relaying over mmWave Weibull Fading Channels.

Abdelaziz Soulimani, Mustapha Benjillali+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2016

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 16被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、一般化超幾何関数を用いて outage 確率、BER、SER、BLER、エゴディック容量、エネルギー効率をモデル化することで、ミリ波 Weibull 衰えのチャネルを介した M-QAM マルチホップリレーシングの正確な閉形式性能解析を提示する。BER およびエネルギー効率の向上を実現する最適な電力割り当て戦略を導出し、モンテカルロシミュレーションおよび特殊関数のための新しい計算コードにより検証した。

ABSTRACT

The paper presents a comprehensive closed-form performance analysis framework for multihop communications over Weibull fading channels. The analyzed scheme consists basically of multiple regenerative relays with generalized high-order quadrature amplitude modulation (M-QAM) transmissions. To take into consideration the channel fading in the mmWave range, we adopt the advocated Weibull model for its flexible ability to cover different channel conditions. The end-to-end performance is evaluated in terms of outage probability, bit error probability (BER), symbol error probability (SER), block error rate (BLER), ergodic capacity, and energy efficiency (EE). For all the metrics, we present exact closed-form expressions along with their asymptotic behavior, some in terms of generalized hypergeometric functions. Based on the obtained analytical results, we also present a practical application, we derive two BER- and EE-optimal transmit power allocation strategies, and we discuss the resulting performance gains. The exactness of our analysis is illustrated by numerical examples, and assessed via Monte-Carlo simulations for different system and channel parameters. Finally, as a secondary contribution, noting the increasing popularity of Fox's H and bivariate H functions, we provide new and generalized codes for computing these functions which are of practical utility in different contexts.

研究の動機と目的

• ミリ波 Weibull 衰えのチャネルを介したマルチホップ M-QAM システムの包括的な解析的フレームワークの構築を目的とする。
• アウトージャ確率、BER、SER、BLER、エゴディック容量、エネルギー効率を含む主要な性能指標の評価を目的とする。
• BER を最小化し、エネルギー効率を最大化する最適送信電力割り当て戦略の導出を目的とする。
• 信号処理および通信分野における広範な応用を可能にするために、Fox の H 関数および二変量 H 関数のための新しい計算ツールの提供を目的とする。
• 多様なシステムおよびチャネルパラメータを想定したモンテカルロシミュレーションを通じて、解析的結果の妥当性を検証することを目的とする。

提案手法

• フェージングの深刻さを柔軟に表現できるように、ミリ波チャネル状態を正確に表現するため、Weibull 衰えモデルを採用する。
• 一般化超幾何関数を用いて、アウトージャ確率、BER、SER、BLER、エゴディック容量、エネルギー効率の正確な閉形式式を導出する。
• 高 SNR 条件における性能指標の漸近的挙動を分析し、システム挙動の理解を深める。
• 性能指標の解析的最適化に基づき、BER 最適および EE 最適の2つの送信電力割り当て戦略を提案する。
• 将来的な特殊関数計算分野の研究を支援するため、Fox の H 関数および二変量 H 関数の一般化された計算コードを導入する。
• 変動するチャネルおよびシステムパラメータを想定した広範なモンテカルロシミュレーションを通じて、解析的結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Weibull 衰えのミリ波チャネルを介したマルチホップ M-QAM システムにおける、主要な性能指標（アウトージャ、BER、SER、BLER、エゴディック容量、EE）の正確な閉形式式は何か？
• RQ2 これらの性能指標の漸近的挙動は、信号対雑音比およびフェージングパラメータにどのように依存するか？
• RQ3 このようなシステムにおいて、BER を最小化し、エネルギー効率を最大化する最適な電力割り当て戦略は何か？
• RQ4 異なるシステム構成において、導出された解析的式は実際のシミュレーションと比較してどの程度の精度を示すか？
• RQ5 無線通信解析における Fox の H 関数および二変量 H 関数の評価に役立つ実用的な計算ツールはどのように開発できるか？

主な発見

• 本稿では、一般化超幾何関数を用いて、アウトージャ確率、BER、SER、BLER、エゴディック容量、エネルギー効率の正確な閉形式式を導出した。
• 漸近的解析により、高 SNR 条件下でのシステムのダイバーシティゲインおよびコーディングゲインの挙動が明らかになった。
• BER 最適電力割り当て戦略は、均一な電力割り当てと比較して、すべてのホップでビット誤り率を顕著に低減した。
• EE 最適電力割り当て戦略は、特に低〜中程度の SNR 範囲で、スペクトル効率およびエネルギー効率を高めた。
• モンテカルロシミュレーションにより、フェージングパラメータおよびシステム構成の広い範囲において、解析的式の正確性が確認された。
• Fox の H 関数および二変量 H 関数のための新しい一般化された計算コードが提供され、将来的な研究および応用における効率的な評価を可能にした。