[論文レビュー] Power Allocation for Discrete-Input Non-Ergodic Block-Fading Channels

Khoa D. Nguyen, Albert Guillén i Fàbregas+1 more|ArXiv.org|May 2, 2007

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、送信者および受信者に完全なチャネル状態情報（CSI）を有する離散入力ブロック fading チャネルに対する最適および低複雑度の部分最適なパワー割り当て手法を提案する。最適な短期的制約下でのSNR指数がシングルトン限界に達することを示し、長期的パワー制約により、10⁻⁴のアウトージ確率において最大12 dBの性能向上が達成されることを明らかにした。一方、部分最適な手法は著しく低い計算複雑度で最適性能に非常に近い結果を達成する。

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 the Singleton bound. We also illustrate the significant gains available by employing long-term power constraints. Due to the nature of the expressions involved, the complexity of optimal schemes may be prohibitive for system implementation. We propose simple sub-optimal power allocation schemes whose outage probability performance is very close to the minimum outage probability obtained by optimal schemes.

研究の動機と目的

• Nakagami-m ブロックフェイディングチャネルに於いて、離散的入力信号を用いた固定レート伝送のための最適および低複雑度のパワー割り当て手法の設計。
• 完全な送信者および受信者側のチャネル状態情報を利用した、短期的および長期的パワー制約下でのアウトージ性能の分析。
• 特に離散的入力が用いられる状況において、長期的パワー割り当てが短期的手法に比べて顕著な性能向上をもたらすことを示すこと。
• 計算複雑度を著しく低減しつつ、最適性能に非常に近い性能を達成できる部分最適な手法の提案。

提案手法

• 水補填法を用いて最適な短期的パワー割り当てを導出し、そのSNR指数がシングルトン限界と一致することを示す。
• 任意の入力分布を有する並列チャネルに関する先行研究の結果を応用し、最適な長期的パワー割り当てを導出する。
• 相互情報量関数 $ I^{\text{ref}}(\rho) $ を用いた参照関数を導入し、$ I_{\mathcal{X}}(\rho) $ を近似することで、計算を簡略化する洗練された部分最適手法を提案する。
• QPSKに最適化されたパrameterを有する、$ \tilde{I}_{\mathcal{X}}(\rho) = M(1 - e^{-c_1\rho^{c_2}})^{c_3} $ という計算効率の良い近似式を導入し、相互情報量を簡便に計算可能にする。
• 閾値 $ \alpha, \beta, \kappa, \eta $ を用いた2段階のパワー割り当てルールを提案し、$ \eta $ は近似された相互情報量を用いてレート制約を満たすように選択される。
• 非因果的CSIを仮定し、チャネル利得が送信前に既知であるOFDMシステムをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短期的パワー制約下における離散入力ブロックフェイディングチャネルの最適パワー割り当て戦略は何か？ その根本的な性能限界は？
• RQ2 非定常的ブロックフェイディングチャネルに於いて、離散的入力が用いられる状況で、長期的パワー制約が短期的制約に比べてどのようにアウトージ性能を向上させるか？
• RQ3 部分最適なパワー割り当て手法は、著しく低い計算複雑度で最適性能に非常に近いアウトージ性能を達成できるか？
• RQ4 どの相互情報量関数の近似が、低複雑度実装を可能にするとともに、最適性能に近い性能を維持できるか？

主な発見

• 離散的入力に対する最適な短期的パワー割り当てのSNR指数は、シングルトン限界によって上限づけられており、これは分岐増幅の根本的限界を示している。
• QPSK入力の4ブロックRayleighフェイディングブロックフェイディングチャネルにおいて、長期的パワー割り当ては均一割り当てに比べ10⁻⁴のアウトージ確率で最大12 dBの性能向上を達成する。
• 洗練された閾値（$ \mathbf{p}_{\rm lt}^{\rm ref} $）を用いた提案された部分最適な長期的スケームは、最適スケームと比較して無視できるほどの性能損失しか生じない。
• パrameter $ c_1=0.77, c_2=0.87, c_3=1.16 $ を有するパラメトリック近似 $ \tilde{I}_{\mathcal{X}}(\rho) $ を用いることで、レート誤差 $ \Delta R = 0.0033 $ が保証され、性能損失を最小限に抑えつつ低複雑度実装が可能になる。
• シミュレーションにおいて、近似を用いた部分最適スケームのアウトージ性能は最適スケームとほとんど区別がつかないことが確認され、実用的妥当性が裏付けられた。