[论文解读] On the Outage Behavior of Asynchronous OFDM DF and AF Cooperative Networks

Mehdi Torbatian, Mohamed Oussama Damen|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2009

Cooperative Communication and Network Coding被引用 4

一句话总结

本文分析了使用解码转发（DF）和放大转发（AF）中继协议的异步正交频 division multiplexing（OFDM）协作网络的中断行为。结果表明，与同步系统相比，异步OFDM在DF协议中可实现更高的分集增益，在NAF协议中可实现更优的分集-复 multiplexing 传输函数（DMT）性能——尤其在单中继配置下可达到类似MISO的分集增益。

ABSTRACT

The outage behavior of various relaying protocols over a general one hop asynchronous cooperative network is examined when orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is used to combat synchronization error among the relays. We consider non-orthogonal selection decode-and-forward (NSDF), orthogonal selection decode-and-forward (OSDF), non-orthogonal amplify-and-forward (NAF), and orthogonal amplify-and-forward (OAF) relaying protocols and analyze the diversity multiplexing gain tradeoff (DMT) in all scenarios. The transmitting nodes cooperatively construct an asynchronous OFDM space-time code by re-sending the source messages over a common time interval and a common frequency bandwidth. It is shown that in decode-and-forward (DF) type protocols, the asynchronous network provides a diversity gain greater than or equal to the one of the corresponding synchronous network in the limit of code word length and throughout the range of multiplexing gain. In amplify-and-forward (AF) type protocols, in which the relays are only allowed to preform linear transformations over the received signals, the asynchronous OFDM OAF protocol provides the same DMT as that of the corresponding synchronous counterpart; however, the asynchronous OFDM NAF protocol provides better DMT than traditional NAF for large length code words and throughout the range of the multiplexing gain. In particular, in a single relay network, the asynchronous OFDM NAF provides DMT as great as the one of a 2x1 multiple input single output (MISO) channel.

研究动机与目标

• 研究异步传输对基于OFDM的协作网络中断性能的影响。
• 分析使用解码转发（DF）和放大转发（AF）中继协议的异步OFDM系统中的分集-复 multiplexing 传输函数（DMT）性能。
• 将异步OFDM协议的DMT性能与对应的同步系统进行比较。
• 确定异步信号能否在分集增益和可靠性方面优于或匹配同步系统。

提出的方法

• 作者建立了一跳协作网络模型，其中中继和接收端异步工作，利用OFDM技术缓解频率选择性衰落和定时偏移的影响。
• 发送节点通过在共享时频资源块上重传源信号，协作构建异步OFDM空时编码。
• 研究评估了四种中继协议：非正交和正交版本的解码转发（NSDF、OSDF）以及放大转发（NAF、OAF）。
• 通过分析高信噪比（SNR）区域和渐近码长下的中断概率，推导出每种协议的DMT。
• 分析假设在AF协议中中继采用线性处理，在DF协议中中继实现完全解码。
• 性能以同步系统和2x1 MISO信道为基准进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在解码转发（DF）协议中，异步OFDM协作是否能提供比同步OFDM协作更高的分集增益？
• RQ2 异步OFDM放大转发协议能否实现优于传统AF协议的分集-复 multiplexing 传输函数性能？
• RQ3 与2x1 MISO信道相比，异步OFDM NAF协议的DMT性能如何？
• RQ4 OFDM如何缓解协作网络中定时异步的影响？
• RQ5 在整个复 multiplexing 增益范围内，异步OFDM系统是否存在根本性的性能增益？

主要发现

• 在解码转发（DF）协议中，异步OFDM系统实现的分集增益大于或等于对应同步系统，尤其在码长增加时更为显著。
• 在放大转发（AF）协议中，异步OFDM OAF协议的DMT与同步对应系统相同。
• 在所有复 multiplexing 增益下，且在长码长条件下，异步OFDM NAF协议优于传统NAF协议。
• 在单中继场景中，异步OFDM NAF协议的DMT性能等效于2x1多输入单输出（MISO）信道。
• 异步DF系统中分集增益的提升在整个复 multiplexing 增益范围内保持一致。
• 基于OFDM的协作能有效对抗定时异步，即使在无完美同步条件下也能实现稳健性能。