[论文解读] Impact of Correlation between Interferers on Coverage Probability and rate in Cellular Systems

Suman Kumar, Sheetal Kalyani|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 34被引用 3

一句话总结

本文利用极大化理论与随机序理论，对蜂窝网络中干扰信号相关性的影响进行了理论分析。结果表明，当用户信道经历形状参数 m ≤ 1 的Nakagami-m衰落时，相关干扰信号的覆盖概率与速率均高于独立干扰信号，揭示了在特定衰落条件下，干扰信号相关性可带来性能增益。

ABSTRACT

When the user channel experiences Nakagami-m fading, the coverage probability expressions are theoretically compared for the following cases: (i). The N interferers are independent $η$-$μ$ random variables (RVs). (ii). The N interferers are correlated $η$-$μ$ RVs. It is analytically shown that the coverage probability in the presence of correlated interferers is greater than or equal to the coverage probability in the presence of independent interferers when the shape parameter of the channel between the user and its base station (BS) is not greater than one. Further, rate is compared for the following cases: (i). The user channel experiences $η$-$μ$ RV and the $N$ interferers are independent $η$-$μ$ RVs. (ii). The N interferers are correlated $η$-$μ$ RVs. It is analytically shown that the rate in the presence of correlated interferers is greater than or equal to the rate in the presence of independent interferers. Simulation results are provided and these match with the obtained theoretical results. The utility of our results are also discussed.

研究动机与目标

• 通过理论分析，比较独立与相关干扰信号下蜂窝网络的覆盖概率与速率。
• 研究在Nakagami-m与η-μ衰落模型下，干扰信号相关性是否能提升系统性能。
• 建立理论条件，明确在何种情况下相关干扰信号的覆盖概率与速率优于独立干扰信号。
• 通过仿真验证理论结果，并讨论其对网络设计的实际意义。

提出的方法

• 利用极大化理论，比较用户信道为Nakagami-m分布、干扰信号为η-μ分布时的覆盖概率。
• 应用随机序理论，比较独立与相关干扰信号下的可实现速率。
• 利用广义超几何函数，推导出独立与相关干扰信号情况下覆盖概率的闭式表达式。
• 将覆盖概率表示为级数展开形式，其中系数由Pochhammer符号及Nakagami-m与η-μ分布的参数导出。
• 证明该级数中每一项均为Schur-凸函数，从而可在不同相关结构下通过极大化理论进行比较。
• 通过大量仿真验证理论结果，结果在各种衰落与相关性场景下与理论预测完全一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 当用户信道经历Nakagami-m衰落时，干扰信号相关性是否能提升覆盖概率？
• RQ2 在Nakagami-m衰落参数 m 满足何种条件时，相关干扰信号的覆盖概率高于独立干扰信号？
• RQ3 干扰信号相关性如何影响具有η-μ分布干扰信号的蜂窝系统可实现速率？
• RQ4 能否利用随机序理论对不同干扰信号相关性模型下的速率性能进行理论比较？
• RQ5 干扰信号相关性对MU-MIMO系统有何影响？如何利用其实现性能增益？

主要发现

• 当用户信道的Nakagami-m衰落形状参数 m ≤ 1 时，相关干扰信号下的覆盖概率严格高于独立干扰信号。
• 当 m > 1 时，覆盖概率的比较结果不确定，可能更高或更低，具体取决于信道与相关性参数。
• 当用户与干扰信号均经历η-μ衰落时，正相关的干扰信号可实现更高的可实现速率。
• 基于极大化与随机序理论推导的理论结果经仿真验证，与理论表达式完全匹配。
• 干扰信号相关性对系统性能有益，尤其在 m ≤ 1 时更为显著，可在网络设计中加以利用以提升覆盖与速率。
• 干扰信号相关性在MU-MIMO系统中具有显著影响，表明其在先进多天线蜂窝部署中的重要性。