[論文レビュー] Rate and Power Adaptation for Multihop Regenerative Relaying Systems

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2021

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 27被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、一般化されたフォックスH関数を用いて、RFおよび自由空間光（FSO）フェージングを含む多様なフェージングチャネルをモデル化することで、マルチホップ再帰的リレーシステムの統一的解析フレームワークを提案する。送信機および受信機でのチャネル状態情報（CSI）の可用性に応じた、パワーおよびレート適応方式の性能を評価し、特に低SNRにおいて、最適パワーおよびレート適応（OPRA）が、複数のフェージングモデルを有する直列および並列リレートポロジーにおいて、最高の相互情報量を達成することを示している。

ABSTRACT

In this work, we provide a global framework analysis of a multi-hop relaying systems wherein the transmitter (TX) communicates with the receiver (RX) through a set of intermediary relays deployed either in series or in parallel. Regenerative based relaying scheme is assumed such as the repetition-coded decoded-and-forward (DF) wherein the decoding is threshold-based. To reflect a wide range of fading, we introduce the generalized $H$-function (also termed as Fox-$H$ function) distribution model which enables the modeling of radio-frequency (RF) fading like Weibull and Gamma, as well as the free-space optic (FSO) such as the Double Generalized Gamma and Málaga fading. In this context, we introduce various power and rate adaptation policies based on the channel state information (CSI) availability at TX and RX. Finally, we address the effects of relaying topology, number of relays and fading model, etc, on the performance reliability of each link adaptation policy.

研究の動機と目的

• 一般化されたフェージング条件下におけるマルチホップ再帰的リレーシステムの統一的解析フレームワークの構築を目的とする。
• フォックスH関数を用いて、ガンマ・ガンマ、マラガ、ダブル一般化ガンマなどの多様な電波（RF）および自由空間光（FSO）フェージング分布をモデル化することを目的とする。
• 送信機および受信機でのチャネル状態情報（CSI）の可用性に応じた、パワーおよびレート適応方式（OPRA、TCFIR、ORA）の性能を評価することを目的とする。
• リレートポロジー（直列、並列）、リレー数、フェージングモデルがシステムの信頼性および相互情報量に与える影響を調査することを目的とする。
• さまざまな適応方針およびフェージング条件下における相互情報量およびアウトージェ確率の閉形式表現を提供することを目的とする。

提案手法

• Weibull、ガンマ、ガンマ・ガンマ、マラガ、ダブル一般化ガンマフェージングを含む複雑なフェージング分布を包括する一般化された数学的モデルとしてフォックスH関数を用いる。
• 独立同分布（i.i.d.）フェージングチャネル下での直列および並列リレートポロジーにおけるエンドツーエンドの信号対ノイズ比（SNR）の累積分布関数（CDF）を導出する。
• 最適パワーおよびレート適応（OPRA）、固定レートを伴う切断チャネルインバージョン（TCIFR）、最適レート適応（ORA）の3つの適応送信方式を提案し、それぞれ異なるパワーおよびレート制御戦略を採用する。
• 各方式における相互情報量の閉形式表現を導出する。OPRAでは、最適カットオフSNR γ₀を求めるために非線形方程式（16）に依存する。
• 部分積分を用いて、相互情報量を補完CDFを含む積分として表現する：𝒫(γ) = ∫_{γ₀}^{∞} (1 − F_γ(γ))/γ dγ。
• 複数のフェージングモデル（ガンマ・ガンマ、マラガ、ダブル一般化ガンマ）およびリレーカンfig（全活性、選択的リレー）を用いた数値シミュレーションにより、解析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 フォックスH関数は、マルチホップリレーシステムにおける多様なRFおよびFSOフェージングモデルを統一的に表現するためにどのように機能するか？
• RQ2 リレートポロジー（直列対並列）およびリレー選択（全活性対選択的）が、さまざまな適応方針下でのシステム性能に与える影響は何か？
• RQ3 異なるパワーおよびレート適応方式（OPRA、TCFIR、ORA）は、フェージング環境下で相互情報量およびスペクトル効率の観点からどのように比較されるか？
• RQ4 OPRAの最適カットオフSNR（γ₀）は何か？また、フェージングの深刻さおよびリレー数に応じてどのように変化するか？
• RQ5 QoSパrameterが変化する条件下で、有効容量制約下でのシステム性能が、どの程度エルゴディック容量に収束するか？

主な発見

• OPRA方式は、瞬時のCSIに基づく最適なパワーおよびレート適応を実現するため、すべてのSNR領域で最高の相互情報量を達成する。特に低SNR領域で顕著な優位性を示す。
• OPRAの最適カットオフSNR（γ₀）は、リレー数やフェージングモデルにかかわらず、区間（0, 1]に制限されることが、数値的検証で確認された。
• TCFIRおよびORA方式はOPRAに比べて低い相互情報量を示すが、高SNR領域ではORAがTCFIRを上回る。しかし、すべての方式がOPRAに劣る。
• 強い乱流およびポイントエラー（例：α=2.902、β=2.51のガンマ・ガンマフェージング）下でも、OPRA方式は他のポリシーに比べて優れたスペクトル効率を維持する。
• 弱い乱流（α₁=3、α₂=1.5）を有するダブル一般化ガンマフェージング下では、QoS指数積（φ·B·T_f）が小さくなるほど有効容量が増加し、エルゴディック容量に近づく。
• 数値的結果により、導出された相互情報量の式の解析的正確性が確認され、すべての方式およびフェージングモデルにおいて、シミュレーションと理論の間で良好な一致が得られた。