[논문 리뷰] Outage Probability Analysis of Dual Hop Relay Networks in Presence of Interference

Bappi Barua, Mehran Abolhasan외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 16.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 41인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 레이일라이지 및 나카가미-m fading 하에서 리피터 및/또는 수신기에서 간섭이 존재하는 双호프 앰플리파이-앤드-포워드(AF) 리lay 네트워크에서 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)의 누적분포함수(CDF) 및 확률밀도함수(PDF)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다. 주요 기여는 임의의 간섭자 수와 i.n.i.d. 페이딩 조건 하에서의 분석적 아웃지 기대 성능이며, 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증된다.

ABSTRACT

Cooperative relaying improves the performance of wireless networks by forming a network of multiple independent virtual sources transmitting the same information as the source node. However, interference induced in the network reduces the performance of cooperative communications. In this work the statistical properties, the cumulative distribution function (CDF) and the probability density function (PDF) for a basic dual hop cooperative relay network with an arbitrary number of interferers over Rayleigh fading channels are derived. Two system models are considered: in the first system model, the interferers are only at the relay node; and in the second system model, interferers are both at the relay and the destination. This work is further extended to Nakagami-m faded interfering channels. Simulation results are presented on outage probability performance to verify the theoretical analysis.

연구 동기 및 목표

• 공주간섭이 존재하는 이중호프 AF 리lay 네트워크에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 간섭 제한된 레이일라이지 페이딩 환경에서 SINR의 CDF 및 PDF에 대한 폐쇄형 표현식을 도출하기 위해.
• 더 일반적인 페이딩 조건을 위해 나카가미-m 페이딩 채널로 분석을 확장하기 위해.
• 아웃지 기대 성능의 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증하기 위해.
• 현실적인 간섭 시나리오 하에서 시스템 신뢰성 평가를 위한 통계적 프레임워크 제공하기 위해.

제안 방법

• 간섭자가 리피터에만 존재하는 경우(SM1)와 간섭자가 리피터 및 수신기 양자리에 존재하는 경우(SM2)의 두 시스템 모델에 대해 SINR의 CDF 및 PDF를 유도한다.
• 순서통계 및 일반화된 감마 분포 기반의 통계 모델링을 통해 i.n.i.d. 레이일라이지 페이딩 간섭 채널을 다룬다.
• 표준 수학 표에서의 적분 항등식(예: 그라드슈타이니 및 리즈히크)을 활용하여 지수 및 거듭제곱 함수를 포함한 복잡한 적분을 해결한다.
• 간섭 제한 영역에서 간섭자의 통계적 행동을 나타내기 위해 특성 계수를 도입한다.
• 간섭 채널 이득의 PDF를 수정하고 관련 매개변수를 대체함으로써 분석을 나카가미-m 페이딩으로 확장한다.
• 최종 CDF를 폐쇄형으로 표현하기 위해 메이저 G-함수 및 일반화된 하이퍼기하함수를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 간섭자가 리피터 및/또는 수신기에 존재하는 이중호프 AF 리lay 네트워크에서 SINR의 정확한 통계적 분포는 무엇인가?
• RQ2 레이일라이지 페이딩 하에서 AF 리lay 시스템의 아웃지 기대 성능에 간섭이 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 간섭자가 동일분포가 아닐 경우, SINR의 CDF 및 PDF에 대한 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?
• RQ4 레이일라이지 페이딩 대신 나카가미-m 페이딩을 고려할 경우 시스템 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 시뮬레이션 결과는 이론적 아웃지 기대 성능 표현식을 어느 정도 확인하는가?

주요 결과

• 레이일라이지 및 나카가미-m 페이딩 채널에서 간섭자가 임의의 수로 존재하는 이중호프 AF 리lay 네트워크에 대해 SINR의 CDF 및 PDF에 대한 폐쇄형 표현식이 도출되었다.
• 유도된 CDF 표현식(식 23)은 i.n.i.d. 레이일라이지 페이딩 채널에 대해 유효하며, 리피터 및 수신기 간섭 모두의 기여를 포함한다.
• 동일한 전력의 i.i.d. 간섭자에 대해 CDF는 크게 단순화되며, j = L일 때 특성 계수가 하나의 비영항으로 줄어든다(식 26).
• 레이일라이지 매개변수를 형태 및 산포 매개변수로 대체하고 간섭 채널 이득의 수정된 PDF를 사용함으로써 분석을 나카가미-m 페이딩으로 확장하였다(식 27–28).
• 이론적 아웃지 기대 성능 결과는 몬테카를로 시뮬레이션과 매우 밀접하게 일치하여 유도된 표현식의 정확성을 검증하였다.
• 메이저 G-함수 및 일반화된 하이퍼기하함수의 사용은 복잡한 적분을 분석적으로 다룰 수 있는 형태로 표현할 수 있게 하였다.