[논문 리뷰] Power Allocation for Discrete-Input Delay-Limited Fading Channels

Khoa D. Nguyen, Albert Guillén i Fàbregas외 1명|ArXiv.org|2007. 06. 14.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 19인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 송신기와 수신기에서 채널 상태 정보가 완전히 제공되는 이산 입력, 지연 제한된 나카가미-m fading 채널을 위한 최적 및 부분 최적의 전력 할당 방안을 제안한다. 최적의 단기 방식에서 신호 대 잡음비(SNR) 지수는 싱글턴 경계의 m배에 도달하며, 단기 신호 대 잡음비 지수 값이 1을 초과할 경우 장기 전력 제약 조건 하에서 0 이상의 출력이 가능하다는 것을 보여주며, 그렇지 않은 경우 장기 SNR 지수를 유도한다.

ABSTRACT

We consider power allocation algorithms for fixed-rate transmission over Nakagami-m non-ergodic block-fading channels with perfect transmitter and receiver channel state information and discrete input signal constellations, under both short- and long-term power constraints. Optimal power allocation schemes are shown to be direct applications of previous results in the literature. We show that the SNR exponent of the optimal short-term scheme is given by m times the Singleton bound. We also illustrate the significant gains available by employing long-term power constraints. In particular, we analyze the optimal long-term solution, showing that zero outage can be achieved provided that the corresponding short-term SNR exponent with the same system parameters is strictly greater than one. Conversely, if the short-term SNR exponent is smaller than one, we show that zero outage cannot be achieved. In this case, we derive the corresponding long-term SNR exponent as a function of the Singleton bound. Due to the nature of the expressions involved, the complexity of optimal schemes may be prohibitive for system implementation. We therefore propose simple sub-optimal power allocation schemes whose outage probability performance is very close to the minimum outage probability obtained by optimal schemes. We also show the applicability of these techniques to practical systems employing orthogonal frequency division multiplexing.

연구 동기 및 목표

• 이산 입력 조합을 가진 나카가미-m 블록 페이딩 채널에서 고정 비트 전송을 위한 최적 전력 할당 전략을 설계한다.
• 특히 출력 확률과 SNR 지수에 중점을 두고 단기 및 장기 전력 제약 조건 하에서 성능 한계를 분석한다.
• 장기 전력 제약 조건을 사용할 때 0 이상의 출력이 가능한 조건을 규명한다.
• 최적 성능에 가까운 저복잡도 부분 최적 방안을 제안한다.
• 주파수 선택적 페이딩을 갖는 실용적인 OFDM 기반 시스템에의 적용 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 평균 전력가 최소화하는 제약 조건이 있는 최적화 문제를 해결하기 위해 KKT 조건을 활용해 최적 전력 할당을 유도한다. 이때 비트 전송률과 피크 전력 제약 조건이 존재한다.
• 블록 페이딩 채널에서 이산 입력 용량을 모델링하기 위해 기준 입력 분포(I^ref) 기반의 상호정보량 표현식을 사용한다.
• 라그랑주 이론을 적용하고 이중 분해 기법을 사용하여 전력 할당 문제를 해결하며, 이중 변수 ν에 기반한 닫힌 형태의 해를 도출한다.
• 최적 전력 할당을 채널 이득 γ_b와 이중 변수 ν의 함수로 특성화하며, ν의 구간에 따라 조각 함수 형태로 표현된다.
• 최적 해 구조를 단순화하여 저복잡도 부분 최적 방안을 제안하며, 복잡도를 감소시키면서도 최적 성능에 근접한 출력 확률 성능 유지를 한다.
• 주파수 선택적 페이딩을 각 서브캐리어에서 주파수 평탄 페이딩을 갖는 블록 페이딩 채널로 모델링하여, OFDM 시스템에 대한 프레임워크를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이산 입력을 갖는 나카가미-m 지연 제한 페이딩 채널에서 고정 비트 전송을 위한 최적 전력 할당 정책은 무엇인가?
• RQ2 최적 단기 전력 할당 방식에서 SNR 지수는 페이딩 심각도 파라미터 m에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 장기 전력 제약 조건을 사용할 때 0 이상의 출력이 가능한 조건은 무엇인가?
• RQ4 단기 SNR 지수가 1 미만일 경우 장기 SNR 지수는 어떻게 되는가?
• RQ5 저복잡도 부분 최적 방안은 최적 출력 확률에 비해 얼마나 가까운 성능을 보이는가?

주요 결과

• 최적 단기 전력 할당 방식에서 SNR 지수는 나카가미 페이딩 파라미터 m에 정확히 m배의 싱글턴 경계에 도달한다.
• 장기 전력 제약 조건 하에서 0 이상의 출력이 가능할 조건은 단기 SNR 지수가 1을 초과할 경우에만 성립한다.
• 단기 SNR 지수가 1 미만일 경우, 장기 SNR 지수는 싱글턴 경계와 시스템 파라미터의 함수로 유도된다.
• 최적 전력 할당 해는 KKT 조건을 통해 도출되며, 이중 변수 ν와 채널 이득의 조각 함수 형태로 표현된다.
• 시뮬레이션 결과, 부분 최적 전력 할당 방안은 최적 해에 비해 0.5 dB 이내의 출력 확률 성능을 달성한다.
• 제안된 프레임워크는 주파수 선택적 페이딩을 각 서브캐리어에서 주파수 평탄 페이딩을 갖는 블록 페이딩 채널로 모델링함으로써, OFDM 시스템에 직접 적용 가능하다.