[논문 리뷰] Performance Analysis of M-QAM Multihop Relaying over mmWave Weibull Fading Channels.

Abdelaziz Soulimani, Mustapha Benjillali외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 26.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 16인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 일반화된 초함수를 사용하여 밀리미터파 Weibull fading 채널에서 M-QAM 다중호프 중계 시스템의 정확한 폐쇄형 성능 분석을 제시한다. 이는 중단 확률, BER, SER, BLER, 에르고딕 용량, 에너지 효율성 등을 모델링한다. BER과 에너지 효율성을 향상시키기 위한 최적의 전력 할당 전략을 유도하였으며, 몬테카를로 시뮬레이션과 특수 함수를 위한 새로운 계산 코드를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

The paper presents a comprehensive closed-form performance analysis framework for multihop communications over Weibull fading channels. The analyzed scheme consists basically of multiple regenerative relays with generalized high-order quadrature amplitude modulation (M-QAM) transmissions. To take into consideration the channel fading in the mmWave range, we adopt the advocated Weibull model for its flexible ability to cover different channel conditions. The end-to-end performance is evaluated in terms of outage probability, bit error probability (BER), symbol error probability (SER), block error rate (BLER), ergodic capacity, and energy efficiency (EE). For all the metrics, we present exact closed-form expressions along with their asymptotic behavior, some in terms of generalized hypergeometric functions. Based on the obtained analytical results, we also present a practical application, we derive two BER- and EE-optimal transmit power allocation strategies, and we discuss the resulting performance gains. The exactness of our analysis is illustrated by numerical examples, and assessed via Monte-Carlo simulations for different system and channel parameters. Finally, as a secondary contribution, noting the increasing popularity of Fox's H and bivariate H functions, we provide new and generalized codes for computing these functions which are of practical utility in different contexts.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파 Weibull fading 채널에서 다중호프 M-QAM 시스템을 위한 종합적인 분석 프레임워크를 개발하기 위해.
• 중단 확률, BER, SER, BLER, 에르고딕 용량, 에너지 효율성 등 핵심 성능 지표를 평가하기 위해.
• BER를 최소화하고 에너지 효율성을 최대화하는 데 기여하는 최적의 전송 전력 할당 전략을 도출하기 위해.
• 신호 처리 및 통신 분야에서 더 넓은 적용 가능성을 갖기 위해 Fox의 H 함수와 이변량 H 함수를 위한 새로운 계산 도구를 제공하기 위해.
• 다양한 시스템 및 채널 파rameter를 포함한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하기 위해.

제안 방법

• 유연한 흩어짐 심각도를 갖는 밀리미터파 채널 조건을 정확히 표현하기 위해 Weibull 흩어짐 모델을 채택한다.
• 일반화된 초함수를 사용하여 중단 확률, BER, SER, BLER, 에르고딕 용량, 에너지 효율성에 대한 정확한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 고 SNR 조건에서 성능 지표의 점점 가까운 행동을 분석하여 시스템 행동을 이해하기 위해.
• 성능 지표의 분석적 최적화를 기반으로 BER 최적 및 EE 최적 전력 할당 전략 두 가지를 제안한다.
• 미래의 특수 함수 계산 연구를 지원하기 위해 Fox의 H 함수와 이변량 H 함수를 위한 일반화된 계산 코드를 도입한다.
• 다양한 채널 및 시스템 파rameter를 포함한 광범위한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Weibull 흩어짐 mmWave 채널에서 다중호프 M-QAM 시스템의 핵심 성능 지표(중단, BER, SER, BLER, 에르고딕 용량, EE)에 대한 정확한 폐쇄형 표현식은 무엇인가?
• RQ2 이 성능 지표들의 점점 가까운 행동은 신호 대 잡음비와 흩어짐 파rameter에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 BER를 최소화하고 에너지 효율성을 최대화하는 데 기여하는 최적의 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 다양한 시스템 구성에서 실질적 시뮬레이션과 비교했을 때 유도된 분석 표현식의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ5 무선 통신 분석에서 Fox의 H 함수와 이변량 H 함수를 평가하기 위한 실용적인 계산 도구는 무엇을 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 일반화된 초함수를 사용하여 중단 확률, BER, SER, BLER, 에르고딕 용량, 에너지 효율성에 대한 정확한 폐쇄형 표현식을 도출하였다.
• 점점 가까운 분석을 통해 고 SNR 조건에서 시스템의 다양성 이득과 코딩 이득 행동을 밝혀냈다.
• BER 최적 전력 할당 전략은 균일한 전력 할당에 비해 모든 호프에서 비트 오류율을 크게 감소시켰다.
• 에너지 효율성 최적 전력 할당 전략은 특히 저~중간 SNR 영역에서 더 높은 스펙트럼 및 에너지 효율성을 달성하였다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 다양한 흩어짐 파ram터와 시스템 구성에서 분석 표현식의 정확성이 확인되었다.
• Fox의 H 함수와 이변량 H 함수를 위한 새로운 일반화된 계산 코드를 제공하여 향후 연구 및 응용에서 효율적인 평가를 가능하게 하였다.