[论文解读] Opportunistic Relaying for Space-Time Coded Cooperation with Multiple Antenna Terminals

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

Cooperative Communication and Network Coding被引用 5

一句话总结

本文提出了一种针对多天线终端的放大转发（A&F）分布式空时编码（DSTC）协作MIMO网络的机遇性协作方案。通过仅选择最佳中继并优化源端各天线之间的功率分配，该方案实现了 $ R\min\{N_s, N_d\} $ 的分集增益阶数，在 $ R=2 $、$ N_s=2 $、$ N_d=1 $ 时，与传统A&F DSTC相比，在误比特率 $10^{-4}$ 时实现超过6 dB的SNR增益。

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.

研究动机与目标

• 通过分布式协作实现虚拟MIMO增益，解决多天线协作无线网络中有限功率和硬件约束的挑战。
• 通过设计优化的功率分配策略，克服多天线源节点中均匀功率分配的低效性。
• 通过机遇性中继选择，在多天线终端的放大转发（A&F）中继网络中实现全分集增益。
• 在实际信道状态信息（CSI）约束下，对瑞利衰落信道中M-PSK和M-QAM调制的符号误码率（SER）提供闭式分析。
• 证明系统实现了理论分集增益阶数 $ R\min\{N_s, N_d\} $，验证所提方案的鲁棒性。

提出的方法

• 在放大转发（A&F）模式下应用分布式空时编码（DSTC），其中每个中继重新传输其接收信号的缩放线性组合。
• 通过基于源-中继链路瞬时信道状态信息（CSI）选择最优中继，实现机遇性协作，从而减少反馈和复杂度。
• 在源端设计一种高效的功率分配策略，利用源-中继CSI知识，以提升性能，优于均匀功率分配。
• 利用源-中继与中继-目的地链路信道增益的乘积，推导出目的端端到端信噪比（SNR）的概率密度函数（PDF）。
• 利用推导出的SNR PDF，计算瑞利衰落信道中M-PSK和M-QAM调制的平均符号误码率（SER）。
• 应用渐近分析，推导出高SNR区域下平均SER的闭式近似，从而实现分集增益阶数分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有多天线终端的A&F DSTC系统中，机遇性中继选择能否实现全分集增益？
• RQ2 与均匀功率分配相比，源端各天线的优化功率分配如何提升系统性能？
• RQ3 所提出的具有多天线终端的A&F DSTC协作系统的精确分集增益阶数是多少？
• RQ4 在高SNR区域下，M-PSK和M-QAM的平均SER的闭式近似是什么？
• RQ5 在实际场景中，所提方案相较于传统A&F DSTC在多大程度上降低了误码率？

主要发现

• 所提系统实现了 $ R\min\{N_s, N_d\} $ 的分集增益阶数，证实了协作MIMO中继网络中的全分集增益。
• 当 $ R=2 $、$ N_s=2 $、$ N_d=1 $ 时，与传统A&F DSTC相比，该系统在误比特率 $10^{-4}$ 时提供了超过6 dB的SNR增益。
• 在高SNR区域下推导出的平均SER闭式近似能准确预测系统性能，并支持理论分析。
• 通过在源端利用源-中继CSI，优化的功率分配策略显著优于均匀功率分配。
• 端到端SNR的PDF通过独立衰落增益的乘积以及伽马分布的中继-目的地信道推导得出。
• 分析结果表明，系统的误码性能受源-中继与中继-目的地链路中最弱链路的主导影响，而该影响通过机遇性选择与功率控制得到缓解。