[논문 리뷰] Adaptive OFDM Index Modulation for Two-Hop Relay-Assisted Networks

Shuping Dang, Justin P. Coon외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 20.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 39인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 느린 주파수 선택적 fading 환경에서 고정된 매핑 방식의 한계를 해결하기 위해, 채널 상태 정보(CSI)에 기반하여 하위대역 활성화 패턴을 동적으로 선택하는 적응형 OFDM 인덱스 매핑 기법을 제안한다. 소스 또는 릴레이에서 매핑 방식을 적응시킴으로써 시스템의 신뢰성과 스펙트럼 효율성을 향상시키며, 기존의 OFDM IM에 비해 다양성 이득과 향상된 오류 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose an adaptive orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) index modulation (IM) scheme for two-hop relay networks. In contrast to the traditional OFDM IM scheme with a deterministic and fixed mapping scheme, in this proposed adaptive OFDM IM scheme, the mapping schemes between a bit stream and indices of active subcarriers for the first and second hops are adaptively selected by a certain criterion. As a result, the active subcarriers for the same bit stream in the first and second hops can be varied in order to combat slow frequency-selective fading. In this way, the system reliability can be enhanced. Additionally, considering the fact that a relay device is normally a simple node, which may not always be able to perform mapping scheme selection due to limited processing capability, we also propose an alternative adaptive methodology in which the mapping scheme selection is only performed at the source and the relay will simply utilize the selected mapping scheme without changing it. The analyses of average outage probability, network capacity and symbol error rate (SER) are given in closed form for decode-and-forward (DF) relaying networks and are substantiated by numerical results generated by Monte Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 느린 주파수 선택적 fading 환경에서 기존 OFDM 인덱스 매핑의 고정 매핑 방식의 한계를 해결하기 위해.
• 채널 상태 정보에 기반한 동적 하위대역 활성화를 통해 이중 릴레이 네트워크에서 시스템의 신뢰성과 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해.
• 릴레이 처리 능력에 맞게 중앙집중식(소스에서 선택)과 분산식(릴레이에서 선택)의 두 가지 실용적인 매핑 방식 선택 방법론을 제안하기 위해.
• 해독-전달 릴레이 시스템에서의 출력 확률, 네트워크 용량, 심볼 오류율 등의 주요 성능 지표를 분석하기 위해.

제안 방법

• 소스 및 릴레이의 순간적인 CSI에 기반하여 각 전송 블록당 활성화할 하위대역을 동적으로 선택하며, 활성화된 하위대역의 수를 가변적으로 조절한다.
• 모든 하위대역이 비활성화되는 '모든 하위대역 비활성 문제'를 해결하기 위해, 필요에 따라 진폭 및 위상 변조(APM)로 전환하는 이중 모드 전송 프로토콜을 도입한다.
• 릴레이 처리 능력에 맞게 중앙집중식(릴레이가 적응)과 분산식(소스가 적응, 릴레이는 그대로 전달)의 두 가지 매핑 방식 선택 전략을 제안한다.
• 평균 출력 확률, 네트워크 용량, 심볼 오류율(SER)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하였으며, 고신호대역비(SNR)에서의 점근적 분석을 통해 다양성 이득을 규명한다.
• 하위대역 선택과 활성화된 하위대역들 중 최악의 채널 이득을 모델링하기 위해 조합 확률을 활용하여 출력 확률 평가의 정확성을 확보한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하였으며, 기존의 OFDM IM 및 FPSK 방식에 비해 성능 향상을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CSI 기반의 적응형 하위대역 매핑은 느린 주파수 선택적 fading 환경에서 이중 OFDM 릴레이 네트워크의 신뢰성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 릴레이 처리 능력은 적응형 OFDM 인덱스 매핑에서 매핑 방식 선택 전략 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 출력 확률, 용량, SER에 대한 제안된 폐쇄형 표현식은 기존의 OFDM IM에 비해 성능 및 다양성 이득 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이중 모드 전송 프로토콜은 모든 하위대역이 비활성화되는 문제를 어떻게 해결하는가?
• RQ5 고정 매핑 방식에 비해 적응형 매핑 선택은 스펙트럼 효율성과 오류 성능을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 제안된 적응형 OFDM IM 기법은 CSI 기반 하위대역 선택을 통해 다양성 이득을 달성하여 느린 fading 환경에서의 신뢰성을 향상시킨다.
• 평균 출력 확률과 네트워크 용량에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하였으며, 점근적 분석을 통해 고신호대역비(SNR)에서 다양성 차수를 확인하였다.
• 고신호대역비에서 평균 심볼 오류율(SER)이 높은 정확도로 폐쇄형으로 근사되었으며, 이는 분석 모델의 타당성을 입증한다.
• 수치적 결과는 적응형 기법이 기존의 OFDM IM 및 FPSK에 비해 오류 성능과 신뢰성 측면에서 뛰어나다는 것을 보여준다.
• 릴레이가 적응하는 중앙집중식 매핑 방식 선택 전략은 하위대역 선택의 추가 자유도 덕분에 분산식 전략보다 더 우수한 오류 성능을 제공한다.
• 이중 모드 전송 프로토콜은 모든 하위대역이 비활성화되는 문제를 효과적으로 해결하여, 하위대역이 전혀 활성화되지 않은 경우에도 신뢰성 있는 통신을 보장한다.