[논문 리뷰] Opportunistic Relaying for Space-Time Coded Cooperation with Multiple Antenna Terminals

Behrouz Maham, Are Hjørungnes|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 12.

Cooperative Communication and Network Coding인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중안테나 단말기를 갖는 확대 및 전달(A&F) 분산 공간-시간 코드(DSTC) 협업 MIMO 네트워크를 위한 기회적 릴레이 방식을 제안한다. 최적의 릴레이를 선택하고 소스 안테나 간의 전력 할당을 최적화함으로써, 이 방식은 $ R\min\{N_s, N_d\} $의 다양성 순서를 달성하며, $ R=2 $, $ N_s=2 $, $ N_d=1 $일 때 기존의 A&F DSTC에 비해 BER $10^{-4}$에서 6 dB 이상의 SNR 이득을 제공한다.

ABSTRACT

We consider a wireless relay network with multiple antenna terminals over Rayleigh fading channels, and apply distributed space-time coding (DSTC) in amplify-and-forward (A&F) mode. The A&F scheme is used in a way that each relay transmits a scaled version of the linear combination of the received symbols. It turns out that, combined with power allocation in the relays, A&F DSTC results in an opportunistic relaying scheme, in which only the best relay is selected to retransmit the source's space-time coded signal. Furthermore, assuming the knowledge of source-relay CSI at the source node, we design an efficient power allocation which outperforms uniform power allocation across the source antennas. Next, assuming M-PSK or M-QAM modulations, we analyze the performance of the proposed cooperative diversity transmission schemes in a wireless relay networks with the multiple-antenna source and destination. We derive the probability density function (PDF) of the received SNR at the destination. Then, the PDF is used to determine the symbol error rate (SER) in Rayleigh fading channels. We derived closed-form approximations of the average SER in the high SNR scenario, from which we find the diversity order of system RminfNs;Ndg, where R, Ns, and Nd are the number of the relays, source antennas, and destination antennas, respectively. Simulation results show that the proposed system obtain more than 6 dB gain in SNR over A&F MIMO DSTC for BER 10^{-4}, when R = 2, Ns = 2, and Nd = 1.

연구 동기 및 목표

• 다중안테나 협업 무선 네트워크의 제한된 전력과 하드웨어 제약을 해결하기 위해 분산 협업을 통해 가상 MIMO 성능을 달성한다.
• 다중안테나 소스 단말기에서 균일한 전력 할당의 비효율성을 해결하기 위해 최적화된 전력 할당 전략을 설계한다.
• 기회적 릴레이 선택을 통해 다중안테나 단말기를 갖는 확대 및 전달(A&F) 릴레이 네트워크에서 최대 다양성 이득을 달성한다.
• 실제 CSI 제약 조건 하에서 레이일라이트 페이딩 채널에서 M-PSK 및 M-QAM 변조에 대해 심볼 오류율(SER)의 폐쇄형 분석을 제공한다.
• 시스템이 이론적 다양성 순서 $ R\min\{N_s, N_d\} $을 달성함을 입증하여 제안된 방식의 강건성을 검증한다.

제안 방법

• 각 릴레이가 수신 신호의 스케일된 선형 조합을 재전송하는 확대 및 전달(A&F) 방식에서 분산 공간-시간 코드(DSTC)를 적용한다.
• 소스-릴레이 링크의 순간 채널 상태 정보(CSI)에 기반해 최적의 릴레이만 선택하는 기회적 릴레이 방식을 구현함으로써 피드백과 복잡도를 감소시킨다.
• 소스가 소스-릴레이 CSI를 이용해 성능을 향상시키는 효율적인 전력 할당 전략을 설계한다.
• 소스-릴레이 및 릴레이-수신기 채널 이득의 곱을 사용하여 목적지에서의 종단 간 신호 대 잡음비(SNR)의 확률 밀도 함수(PDF)를 유도한다.
• 유도된 SNR PDF를 사용하여 레이일라이트 페이딩에서 M-PSK 및 M-QAM 변조의 평균 심볼 오류율(SER)을 계산한다.
• 고신호 대 잡음비(SNR) 영역에서의 평균 SER에 대한 폐쇄형 근사식을 도출하기 위해 점근적 분석을 적용함으로써 다양성 순서 분석을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중안테나 단말기를 갖는 A&F DSTC 시스템에서 기회적 릴레이 선택이 최대 다양성 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ2 소스 안테나 간의 최적화된 전력 할당 전략은 균일한 전력 할당에 비해 시스템 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 다중안테나 단말기를 갖는 제안된 A&F DSTC 협업 시스템의 정확한 다양성 순서는 무엇인가?
• RQ4 고신호 대 잡음비 영역에서 M-PSK 및 M-QAM의 평균 SER에 대한 폐쇄형 근사식은 무엇인가?
• RQ5 실제 시나리오에서 제안된 방식은 기존의 A&F DSTC에 비해 오류율을 얼마나 줄이는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 $ R\min\{N_s, N_d\} $의 다양성 순서를 달성하여 협업 MIMO 릴레이 네트워크에서 최대 다양성 이득을 확인한다.
• R=2, $ N_s=2 $, $ N_d=1 $일 때 BER이 $10^{-4}$일 경우 기존의 A&F DSTC에 비해 6 dB 이상의 SNR 이득을 제공한다.
• 고신호 대 잡음비 영역에서 유도된 폐쇄형 SER 근사식은 시스템 성능을 정확하게 예측하고 이론적 분석을 가능하게 한다.
• 소스에서 소스-릴레이 CSI를 이용하는 최적화된 전력 할당 전략은 균일한 전력 할당에 비해 상당히 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 종단 간 SNR의 PDF는 독립적인 페이딩 이득과 감마 분포를 갖는 릴레이-수신기 채널의 곱을 사용하여 유도된다.
• 분석 결과, 시스템의 오류 성능은 소스-릴레이 및 릴레이-수신기 링크 중 가장 약한 링크에 의해 지배되며, 이는 기회적 선택과 전력 제어로 완화됨을 확인한다.