[论文解读] MmWaves Cellular V2X for Cooperative Diversity Relay Fast Fading Channels

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 45被引用 16

一句话总结

本文提出一种利用解码转发（DF）协作中继的毫米波（mmWave）蜂窝车联网（V2X）系统，以应对高速移动车联网环境中的快衰落问题。通过采用最大比合并（MRC）和最大比传输（MRT），该系统实现了分集增益，并在Jakes快衰落模型下推导出中断概率、符号误码率和遍历容量的闭式表达式，揭示了分集增益与编码增益的关键洞察。

ABSTRACT

In this work, we present a framework analysis of millimeter waves (mmWaves) vehicular communications systems. Communications between vehicles take place through a cooperative relay which acts as an intermediary base station (BS). The relay is equipped with multiple transmit and receive antennas and it employs decode-and-forward (DF) to process the signal. Also, the relay applies maximal ratio combining (MRC), and maximal ratio transmission (MRT), respectively, to receive and forward the signal. As the vehicles' speeds are relatively high, the channel experiences a fast fading and this time variation is modeled following the Jakes' autocorrelation model. We also assume narrowband fading channel. Closed-form expressions of the reliability metrics such as the outage probability, the probability of error and the channel capacity are derived. Capitalizing on these performances, we derive the low and high power regimes for the capacity, and the high signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) asymptotes for the outage and error probability to get full insights into the system gains such as the diversity and coding gains.

研究动机与目标

• 为应对车联网中频谱稀缺与高数据速率需求，利用毫米波频段满足5G及未来网络的需求。
• 通过在高速移动车联网场景中采用协作中继，缓解毫米波传播带来的高路径损耗、遮挡与快衰落等挑战。
• 在快衰落环境下，分析中继辅助的毫米波V2X系统的性能，采用Jakes自相关模型进行建模。
• 推导关键可靠性指标的闭式表达式：中断概率、符号误码率与遍历容量。
• 通过高信噪比渐近分析与功率域分析，提取分集增益与编码增益。

提出的方法

• 将毫米波V2X信道建模为两跳解码转发（DF）中继系统，其中中继作为中间基站发挥作用。
• 在中继端应用最大比合并（MRC）以提升信号接收的分集增益，并采用最大比传输（MRT）实现信号转发中的波束成形。
• 采用Jakes自相关模型对快衰落进行建模，以反映因高速车辆运动导致的高多普勒扩展。
• 利用广义梅杰-G函数与福克斯H函数，推导出中断概率、符号误码率与遍历容量的闭式表达式。
• 在高信噪比与高低功率域下进行渐近分析，以提取分集增益与编码增益。
• 利用特殊函数（梅杰-G函数与福克斯H函数）表达累积分布函数与积分，以支持性能评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在快衰落环境下，采用MRC/MRT的协作中继如何提升毫米波V2X系统的可靠性？
• RQ2 在DF中继毫米波V2X系统中，中断概率、符号误码率与遍历容量的闭式表达式是什么？
• RQ3 在高信噪比区域，系统实现了怎样的分集增益与编码增益？其如何随系统参数变化？
• RQ4 低功率与高功率传输域对中继式毫米波V2X系统遍历容量有何影响？
• RQ5 信道相关性与衰落统计特性（Jakes模型）对采用协作中继的毫米波V2X系统性能有何影响？

主要发现

• 由于采用MRC与MRT，系统实现了全分集增益，分集阶数由天线数量与衰落参数共同决定。
• 在高信噪比区域，中断概率与符号误码率均表现出分集增益，其分集阶数等于两跳有效分集增益之和。
• 遍历容量通过梅杰-G函数与福克斯H函数以闭式表达，支持在快衰落条件下的精确性能评估。
• 高功率域分析表明，容量随信噪比对数增长，表明尽管带宽高，频谱效率仍受限。
• 低功率域分析显示，容量与平均信噪比及天线数量的乘积成正比，凸显阵列增益的作用。
• 渐近分析证实，编码增益受中继端天线配置与信道相关性影响，当$ N_i m_i $与$ M_{r,i} m_{r,i} $较大时可获得更高增益。