[论文解读] Outage Performance of Two-Hop OFDM Systems with Spatially Random Decode-and-Forward Relays

Shuping Dang, Justin P. Coon+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2017

Cooperative Communication and Network Coding被引用 3

一句话总结

本文通过泊松点过程模型分析了具有空间随机解码转发中继的两跳OFDM系统的中断性能。推导了批量和逐子载波中继选择的精确与渐近中断概率表达式，揭示了三元分集增益特性（0、1或无穷大），并构建了一个凸优化问题，通过选择最优子载波数以最大化系统吞吐量。

ABSTRACT

In this paper, we analyze the outage performance of different multicarrier relay selection schemes for two-hop orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems in a Poisson field of relays. In particular, special emphasis is placed on decode-and-forward (DF) relay systems, equipped with bulk and per-subcarrier selection schemes, respectively. The exact expressions for outage probability are derived in integrals for general cases. In addition, asymptotic expressions for outage probability in the high signal-to-noise ratio (SNR) region in the finite circle relay distribution region are determined in closed forms for both relay selection schemes. Also, the outage probabilities for free space in the infinite relay distribution region are derived in closed forms. Meanwhile, a series of important properties related to cooperative systems in random networks are investigated, including diversity, outage probability ratio of two selection schemes and optimization of the number of subcarriers in terms of system throughput. All analysis is numerically verified by simulations. Finally, a framework for analyzing the outage performance of OFDM systems with spatially random relays is constructed, which can be easily modified to analyze other similar cases with different forwarding protocols, location distributions and/or channel conditions.

研究动机与目标

• 为解决在真实网络场景中对具有空间随机中继的OFDM系统分析不足的问题。
• 使用泊松点过程对中继位置进行建模，以反映现实部署中动态且随机的特性。
• 推导批量和逐子载波中继选择方案的精确与渐近中断概率表达式。
• 研究关键系统特性，如分集增益、两种选择方案之间的性能比以及最优子载波分配。
• 构建一个可推广的框架，适用于其他协议、信道模型和中继分布。

提出的方法

• 将中继位置建模为二维平面上的齐次泊松点过程（PPP），源和目的节点位置固定。
• 采用两跳解码转发（DF）中继协议，中继在OFDM子载波上解码并转发信号。
• 利用顺序统计与PPP特性，以积分形式推导一般中继密度和区域下的精确中断概率。
• 在高信噪比（SNR）下进行渐近分析，推导有限与无限中继区域的闭式表达式。
• 对中断表达式中的指数项进行级数展开，以小中继密度近似性能。
• 将系统吞吐量最大化问题建模为关于子载波数量的凸优化问题，并证明其在子载波数量上为凸函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有空间随机中继的两跳OFDM系统中，批量和逐子载波中继选择的精确中断概率是多少？
• RQ2 在有限和无限中继分布区域下，高信噪比（SNR）区域中断概率的行为如何？
• RQ3 在泊松分布中继网络中的分集增益是什么？是否可表征为三元特性？
• RQ4 逐子载波选择与批量选择之间的性能比如何依赖于中继密度？
• RQ5 在可靠性约束下，使系统吞吐量最大化的最优子载波数是多少？

主要发现

• 针对一般情况，推导出批量和逐子载波选择的精确中断概率的积分形式表达式。
• 在高SNR下，推导出有限区域的渐近中断概率的闭式表达式，并在自由空间（无限）区域获得精确的闭式表达式。
• 证明泊松随机网络中的分集增益为三元特性：根据中继密度和系统参数，其值为0、1或无穷大。
• 推导出两种选择方案中断概率比与中继密度之间的近似关系，表明在稀疏网络中逐子载波选择优于批量选择。
• 构建了一个关于子载波数量的凸优化问题，以通过选择最优子载波数来最大化系统吞吐量，并证明其在子载波数量上为凸函数。
• 推导出截止中继密度的近似表达式，高于该密度时，在可靠性约束下吞吐量最大化问题具有可行性。