[论文解读] Cooperative Relaying in Wireless Networks under Spatially Correlated Interference.

Alessandro Crismani, Udo Schilcher+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2013

Cooperative Communication and Network Coding被引用 3

一句话总结

本文研究了一种在空间相关干扰环境下、采用N个中继的解码转发协作中继系统，该干扰环境由泊松点过程建模。推导了成功概率和传输尝试次数分布，表明中继位置、干扰者移动性和合并方案对性能有关键影响，其中最大比合并仅在靠近接收端时带来增益，而较多中继在恶劣干扰条件下可提升性能。

ABSTRACT

We analyze the performance of an interference-limited, decode-and-forward, cooperative relaying system that comprises a source, a destination, and $N$ relays, placed arbitrarily on the plane and suffering from interference by a set of interferers placed according to a spatial Poisson process. In each transmission attempt, first the transmitter sends a packet; subsequently, a single one of the relays that received the packet correctly, if such a relay exists, retransmits it. We consider both selection combining and maximal ratio combining at the destination, Rayleigh fading, and interferer mobility. We derive expressions for the probability that a single transmission attempt is successful, as well as for the distribution of the transmission attempts until a packet is transmitted successfully. Results provide design guidelines applicable to a wide range of systems. Overall, the temporal and spatial characteristics of the interference play a significant role in shaping the system performance. Maximal ratio combining is only helpful when relays are close to the destination; in harsh environments, having many relays is especially helpful, and relay placement is critical; the performance improves when interferer mobility increases; and a tradeoff exists between energy efficiency and throughput.

研究动机与目标

• 评估在任意中继位置下的解码转发协作中继系统在干扰受限环境中的性能。
• 研究通过泊松点过程建模的空间相关干扰对系统可靠性和吞吐量的影响。
• 比较选择合并与最大比合并对接收端系统性能的影响。
• 评估干扰者移动性和中继密度在塑造传输成功率和能效方面的作用。
• 为在现实干扰条件下中继位置和系统参数提供设计指导。

提出的方法

• 将干扰场建模为空间泊松过程，以捕捉随机且空间相关的干扰者位置。
• 在所有无线链路中使用瑞利衰落，以考虑信道模型中的多径衰落效应。
• 基于中继和接收端的信干噪比（SINR）推导单次传输尝试的成功概率。
• 利用随机几何和中继选择的顺序统计分析成功传输前的传输尝试次数分布。
• 在接收端评估选择合并与最大比合并，以比较不同中继配置下的分集增益。
• 通过建模时变干扰功率将干扰者移动性纳入考虑，评估其对系统可靠性的影。

实验结果

研究问题

• RQ1 空间相关干扰如何影响协作中继网络中单次传输的成功概率？
• RQ2 在干扰受限条件下，成功传输数据包所需的传输尝试次数分布如何？
• RQ3 在何种情况下最大比合并优于接收端的选择合并？
• RQ4 干扰者移动性如何影响协作中继系统的可靠性和吞吐量？
• RQ5 在干扰条件下，协作中继网络中能效与吞吐量之间存在何种权衡？

主要发现

• 由于干扰的空间相关性，最大比合并仅在中继靠近接收端时才能提供性能增益。
• 在恶劣干扰环境中，增加中继数量可显著提高系统可靠性和吞吐量。
• 中继位置是关键的设计因素，因为次优位置即使在高密度中继下也会降低性能。
• 干扰者移动性的增加通过降低干扰的时间相关性，从而提升系统性能，带来更高的成功概率。
• 能效与吞吐量之间存在根本性权衡，即更高的中继密度虽能提升吞吐量，但会增加能量消耗。
• 成功前的传输尝试次数分布受中继和干扰者空间分布的显著影响，在密集干扰场中表现出更高的变异性。