[논문 리뷰] MmWaves Cellular V2X for Cooperative Diversity Relay Fast Fading Channels

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 23.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 45인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 고속 이동 차량 환경에서의 빠른 fading을 완화하기 위해 디코딩 앤 포워딩(DF) 협업 릴레이를 사용하는 밀리미터 웨이브(mmWave) 셀룰러 V2X 시스템을 제안한다. 최대 비율 수신(MRC)과 최대 비율 전송(MRT)을 적용함으로써 다양성 이득을 달성하며, Jakes의 빠른 fading 모델 하에서 중단 확률, 심볼 오류율, 에르고딕 용량에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하여 다양성 및 코딩 이득에 대한 핵심 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

In this work, we present a framework analysis of millimeter waves (mmWaves) vehicular communications systems. Communications between vehicles take place through a cooperative relay which acts as an intermediary base station (BS). The relay is equipped with multiple transmit and receive antennas and it employs decode-and-forward (DF) to process the signal. Also, the relay applies maximal ratio combining (MRC), and maximal ratio transmission (MRT), respectively, to receive and forward the signal. As the vehicles' speeds are relatively high, the channel experiences a fast fading and this time variation is modeled following the Jakes' autocorrelation model. We also assume narrowband fading channel. Closed-form expressions of the reliability metrics such as the outage probability, the probability of error and the channel capacity are derived. Capitalizing on these performances, we derive the low and high power regimes for the capacity, and the high signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) asymptotes for the outage and error probability to get full insights into the system gains such as the diversity and coding gains.

연구 동기 및 목표

• 5G 및 그 이상을 위한 mmWave 대역을 활용하여 차량 네트워크에서 스펙트럼 부족과 고속도 요구를 해결하고자 한다.
• 높은 경로 손실, 차단, 빠른 fading 등의 mmWave 전파 문제를 고속 이동 차량 환경에서의 협업 릴레이를 통해 완화하고자 한다.
• Jakes의 자기상관 모델을 사용하여 빠른 fading 하에서 릴레이 지원 mmWave V2X 시스템의 성능을 분석하고자 한다.
• 중단 확률, 심볼 오류율, 에르고딕 용량과 같은 핵심 신뢰성 지표에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하고자 한다.
• 고SINR 근사 및 전력 영역 분석을 통해 다양성 및 코딩 이득을 도출하고자 한다.

제안 방법

• mmWave V2X 채널을 릴레이가 중계 기지국으로 기능하는 이단계 디코딩 앤 포워딩(DF) 릴레이 시스템으로 모델링한다.
• 신호 수신 시 다양성 이득을 위해 릴레이에서 최대 비율 수신(MRC)을 적용하고, 신호 전달 시 빔포밍을 위해 최대 비율 전송(MRT)을 적용한다.
• 고속 차량으로 인한 높은 도플러 스프레드를 반영하기 위해 Jakes의 자기상관 모델을 사용해 빠른 fading을 모델링한다.
• 일반화된 Meijer-G 함수와 Fox H 함수를 사용하여 중단 확률, 심볼 오류율, 에르고딕 용량에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다.
• 고SINR 및 고/저 전력 영역에서의 점근적 분석을 수행하여 다양성 및 코딩 이득을 도출한다.
• 성능 평가를 위해 누적 분포 함수 및 적분을 표현하기 위해 특수 함수(Meijer-G 및 Fox H)를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MRC/MRT를 갖춘 협업 릴레이가 빠른 fading 하에서 mmWave V2X 시스템의 신뢰성에 어떻게 향상되는가?
• RQ2 DF-릴레이 mmWave V2X 시스템에서 중단 확률, 심볼 오류율, 에르고딕 용량에 대한 닫힌 형태의 표현식은 무엇인가?
• RQ3 고SINR 영역에서 달성되는 다양성 및 코딩 이득은 무엇이며, 시스템 파라미터에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 저전력 및 고전력 전송 영역에서 릴레이된 mmWave V2X 시스템의 에르고딕 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 채널 상관성 및 페이딩 통계(Jakes 모델)는 협업 릴레이를 갖춘 mmWave V2X의 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MRC와 MRT의 사용으로 인해 전체 다양성 이득을 달성하며, 다양성 순서는 안테나 수와 페이딩 파rameter에 의해 결정된다.
• 중단 확률과 심볼 오류율은 고SINR 영역에서 다양성 이득을 보이며, 두 하프의 유효 다양성 이득의 합과 동일한 다양성 순서를 가진다.
• 에르고딕 용량은 Meijer-G 및 Fox H 함수를 사용해 닫힌 형태로 유도되어 빠른 fading 하에서도 정밀한 성능 평가가 가능하다.
• 고전력 영역 분석 결과, 용량은 SNR에 대해 로그 스케일링되며, 높은 대역폭에도 불구하고 스펙트럼 효율성의 제한을 시사한다.
• 저전력 영역에서는 용량이 평균 SNR과 안테나 수의 곱에 비례함을 보여주며, 어레이 이득의 역할을 강조한다.
• 점근적 분석을 통해 코딩 이득이 릴레이의 안테나 구성과 채널 상관성에 영향을 받으며, $ N_i m_i $ 및 $ M_{r,i} m_{r,i} $가 클수록 더 높은 이득을 달성함을 확인한다.