[논문 리뷰] Outage Performance of Two-Hop OFDM Systems with Spatially Random Decode-and-Forward Relays

Shuping Dang, Justin P. Coon외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 10.

Cooperative Communication and Network Coding인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 포아송 점 프로세스 모델을 사용하여 공간적으로 무작위로 배치된 디코딩 앤 포워딩 중계기를 갖춘 이중호프 OFDM 시스템의 장애 성능을 분석한다. 전체 및 각 서브차원별 중계기 선택에 대해 정확한 장애 확률 표현식과 점 渐진적 장애 확률 표현식을 유도하며, 3항도 다양도 이득 성질(0, 1 또는 무한대)을 규명하고, 최적의 서브차원 수를 선택하여 시스템 스루풋을 최대화하기 위한 볼록 최적화 문제를 제시한다.

ABSTRACT

In this paper, we analyze the outage performance of different multicarrier relay selection schemes for two-hop orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems in a Poisson field of relays. In particular, special emphasis is placed on decode-and-forward (DF) relay systems, equipped with bulk and per-subcarrier selection schemes, respectively. The exact expressions for outage probability are derived in integrals for general cases. In addition, asymptotic expressions for outage probability in the high signal-to-noise ratio (SNR) region in the finite circle relay distribution region are determined in closed forms for both relay selection schemes. Also, the outage probabilities for free space in the infinite relay distribution region are derived in closed forms. Meanwhile, a series of important properties related to cooperative systems in random networks are investigated, including diversity, outage probability ratio of two selection schemes and optimization of the number of subcarriers in terms of system throughput. All analysis is numerically verified by simulations. Finally, a framework for analyzing the outage performance of OFDM systems with spatially random relays is constructed, which can be easily modified to analyze other similar cases with different forwarding protocols, location distributions and/or channel conditions.

연구 동기 및 목표

• 실제 네트워크 환경에서 공간적으로 무작위 중계기를 갖춘 OFDM 시스템에 대한 분석 부족을 보완하기 위해.
• 실제 구현의 동적이고 무작위적인 특성을 반영하기 위해 중계기 위치를 포아송 점 프로세스로 모델링하기 위해.
• 전체 및 각 서브차원별 중계기 선택 방식에 대해 정확한 장애 확률 표현식과 점 渐진적 장애 확률 표현식을 유도하기 위해.
• 다양도 이득, 선택 방식 간 성능 비율, 최적 서브차원 할당과 같은 핵심 시스템 성질을 조사하기 위해.
• 다른 프rotocol, 채널 모델 및 중계기 분포에 적용 가능한 일반화 가능한 프레임워크를 구축하기 위해.

제안 방법

• 2차원 평면상에 고르게 분포된 포아송 점 프로세스(PPP)로 중계기 위치를 모델링하며, 송신기 및 수신기는 고정된 위치에 놓여져 있다.
• 중계기가 신호를 디코딩하고 OFDM 서브차원에서 포워딩하는 이중호프 디코딩 앤 포워딩(DF) 중계 프로토콜을 사용한다.
• 일般적인 중계기 밀도 및 영역에 대해 순서 통계 및 PPP 성질을 이용하여 정확한 장애 확률을 적분 형태로 유도한다.
• 고신호대역비(SNR)에서 점 渐진적 분석을 적용하여 유한 영역 및 무한 영역에 대해 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 낮은 중계기 밀도에서 장애 확률 표현식의 지수 항을 급수 전개하여 성능을 근사한다.
• 시스템 스루풋 최대화 문제를 서브차원 수에 대해 볼록 최적화 문제로 재구성하였으며, 서브차원 수에 대해 볼록임을 증명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간적으로 무작위로 배치된 중계기를 갖춘 이중호프 OFDM 시스템에서 전체 및 각 서브차원별 중계기 선택에 대해 정확한 장애 확률은 무엇인가?
• RQ2 유한 및 무한 중계기 분포 영역에서 고신호대역비(SNR) 영역에서 장애 확률은 어떻게 행동하는가?
• RQ3 포아송 분포 중계기 네트워크에서 다양도 이득은 무엇이며, 이는 3항도 성질로 특성화될 수 있는가?
• RQ4 중계기 밀도에 따라 각 서브차원별 선택과 전체 선택 간 성능 비율은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 신뢰성 제약 조건 하에서 시스템 스루풋을 최대화하기 위한 최적의 서브차원 수는 무엇인가?

주요 결과

• 전체 및 각 서브차원별 선택에 대해 일반적인 경우 정확한 장애 확률이 적분 형태로 유도되었다.
• 유한 영역에서 고신호대역비(SNR)에서 폐쇄형 표현식을 유도하였으며, 자유공간(무한) 영역에서는 정확한 폐쇄형 표현식을 확보하였다.
• 포아송 무작위 네트워크에서 다양도 이득이 3항도 성질임을 증명하였으며, 이는 중계기 밀도 및 시스템 파라미터에 따라 0, 1 또는 무한대가 된다.
• 두 선택 방식 간 장애 확률 비율과 중계기 밀도 사이의 근사 관계를 유도하였으며, 희박한 네트워크에서 각 서브차원별 선택이 전체 선택보다 우월함을 보였다.
• 최적의 서브차원 수를 선택하여 시스템 스루풋을 최대화하기 위한 볼록 최적화 문제를 제안하였으며, 이 문제가 서브차원 수에 대해 볼록임을 증명하였다.
• 신뢰성 제약 조건 하에서 스루풋 최대화 문제가 가능해지는 절단 중계기 밀도의 근사식을 유도하였다.