[論文レビュー] Power Allocation for Discrete-Input Delay-Limited Fading Channels

Khoa D. Nguyen, Albert Guillén i Fàbregas+1 more|ArXiv.org|Jun 14, 2007

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 19被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、送信者および受信者に完全なチャネル状態情報（CSI）を有する離散入力、遅延制限付きのナカガミ-mフェージング回線に対する最適および準最適なパワー割当方式を提案する。最適短時間スケール方式のSNR指数がm倍のシングルトン境界に達することを確立し、短時間SNR指数が1を超える場合には長期的パワー制約下でもアウトージ確率がゼロとなることが示され、そうでない場合には対応する長期SNR指数が導出される。

ABSTRACT

We consider power allocation algorithms for fixed-rate transmission over Nakagami-m non-ergodic block-fading channels with perfect transmitter and receiver channel state information and discrete input signal constellations, under both short- and long-term power constraints. Optimal power allocation schemes are shown to be direct applications of previous results in the literature. We show that the SNR exponent of the optimal short-term scheme is given by m times the Singleton bound. We also illustrate the significant gains available by employing long-term power constraints. In particular, we analyze the optimal long-term solution, showing that zero outage can be achieved provided that the corresponding short-term SNR exponent with the same system parameters is strictly greater than one. Conversely, if the short-term SNR exponent is smaller than one, we show that zero outage cannot be achieved. In this case, we derive the corresponding long-term SNR exponent as a function of the Singleton bound. Due to the nature of the expressions involved, the complexity of optimal schemes may be prohibitive for system implementation. We therefore propose simple sub-optimal power allocation schemes whose outage probability performance is very close to the minimum outage probability obtained by optimal schemes. We also show the applicability of these techniques to practical systems employing orthogonal frequency division multiplexing.

研究の動機と目的

• 離散的入力信号の信号点集合を有する、ナカガミ-mブロックフェージング回線における固定レート伝送のための最適パワー割当戦略の設計。
• 短時間および長期的パワー制約下での性能限界の分析、特にアウトージ確率およびSNR指数に焦点を当てる。
• 長期的パワー制約を用いた場合にゼロアウトージが達成可能な条件の特定。
• 最適性能に非常に近いが計算量が少ない準最適な方式の提案。
• 周波数選択的フェージングを有する実用的なOFDMシステムへの適用可能性の検証。

提案手法

• 平均パワーを最小化する制約付き最適化問題に対して、KKT条件を用いて最適パワー割当を導出。レート制約およびピークパワー制約を想定。
• ブロックフェージング回線における離散的入力容量をモデル化するため、基準入力分布（I^ref）に基づく相互情報量表現を用いる。
• ラグランジュ緩和および双対分解を適用し、双対変数νに基づく閉形式解を導出。
• 最適パワー割当をチャネル利得γ_bおよび双対変数νの関数として特徴づけ、νの区間ごとに区分的挙動を示す。
• 最適構造を単純化することで準最適方式を提案し、計算量を削減しながら最適に近いアウトージ性能を維持。
• OFDMシステムへの適用を検証するため、周波数選択的フェージングを、各サブキャリアで周波数平坦フェージングを示すブロックフェージングチャネルとしてモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散的入力、ナカガミ-m遅延制限付きフェージング回線における固定レート伝送のための最適パワー割当ポリシーは何か？
• RQ2 最適短時間パワー割当方式のSNR指数は、フェージングの激しさを示すパrameter m に対してどのようにスケーリングされるか？
• RQ3 長期的パワー制約を用いた場合にゼロアウトージが達成可能な条件は何か？
• RQ4 短時間SNR指数が1未満の場合の長期SNR指数は何か？
• RQ5 低複雑性の準最適方式は、最適アウトージ確率に対してどの程度近いか？

主な発見

• 最適短時間パワー割当方式のSNR指数は、ナカガミフェージングパラメータmに等しく、シングルトン境界のm倍に達する。
• 短期的SNR指数が1を超える場合に限り、長期的パワー制約下でもゼロアウトージが達成可能である。
• 短期的SNR指数が1未満の場合、長期SNR指数はシングルトン境界およびシステムパラメータの関数として導出される。
• 最適パワー割当解はKKT条件を用いて得られ、双対変数νおよびチャネル利得の区分的関数として表現される。
• シミュレーションにより、提案された準最適パワー割当方式が最適方式のアウトージ確率に対して0.5 dB以内の性能を達成することが示された。
• 提案されたフレームワークは、周波数選択的フェージングが独立したサブキャリア毎に周波数平坦フェージングを示すブロックフェージングチャネルとしてモデル化されるOFDMシステムに直接適用可能である。