[论文解读] Outage Probability Analysis of Dual Hop Relay Networks in Presence of Interference

Bappi Barua, Mehran Abolhasan+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2012

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 41被引用 4

一句话总结

本文推导了在瑞利衰落和Nakagami-m衰落下，双跳放大转发（AF）中继网络中信号干扰加噪声比（SINR）的累积分布函数（CDF）和概率密度函数（PDF）的闭式表达式，考虑中继和/或接收端存在干扰的情况。主要贡献在于在任意数量干扰源及非同分布衰落条件下，对中断概率性能的解析分析，并通过蒙特卡洛仿真进行了验证。

ABSTRACT

Cooperative relaying improves the performance of wireless networks by forming a network of multiple independent virtual sources transmitting the same information as the source node. However, interference induced in the network reduces the performance of cooperative communications. In this work the statistical properties, the cumulative distribution function (CDF) and the probability density function (PDF) for a basic dual hop cooperative relay network with an arbitrary number of interferers over Rayleigh fading channels are derived. Two system models are considered: in the first system model, the interferers are only at the relay node; and in the second system model, interferers are both at the relay and the destination. This work is further extended to Nakagami-m faded interfering channels. Simulation results are presented on outage probability performance to verify the theoretical analysis.

研究动机与目标

• 分析共信道干扰对具有任意数量干扰源的双跳AF中继网络的影响。
• 推导在干扰受限的瑞利衰落环境中SINR的CDF和PDF的闭式表达式。
• 将分析扩展至更一般的衰落条件下的Nakagami-m衰落信道。
• 通过中断概率性能的蒙特卡洛仿真验证理论结果。
• 为在现实干扰场景下评估系统可靠性提供统计框架。

提出的方法

• 推导了两种系统模型的SINR的CDF和PDF：仅中继存在干扰源（SM1）和中继与接收端均存在干扰源（SM2）。
• 基于顺序统计和广义伽马分布的统计建模方法，处理非同分布瑞利衰落干扰信道。
• 应用标准数学手册（如Gradshteyn和Ryzhik）中的积分恒等式，求解涉及指数函数和幂函数的复杂数学积分。
• 引入特征系数以表征干扰受限状态下干扰源的统计行为。
• 通过修改干扰信道增益的PDF并相应替换参数，将分析扩展至Nakagami-m衰落。
• 采用Meijer G函数和广义超几何函数，以闭式表达最终的CDF。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中继和/或接收端存在多个干扰源的双跳AF中继网络中，SINR的精确统计分布是什么？
• RQ2 在瑞利衰落条件下，干扰的存在如何影响AF中继系统的中断概率？
• RQ3 当干扰源非同分布时，能否推导出SINR的CDF和PDF的闭式表达式？
• RQ4 当采用Nakagami-m衰落而非瑞利衰落时，系统性能如何变化？
• RQ5 仿真结果在多大程度上验证了理论中断概率表达式的准确性？

主要发现

• 为具有任意数量干扰源的双跳AF中继网络，在瑞利衰落和Nakagami-m衰落信道中，推导出了SINR的CDF和PDF的闭式表达式。
• 所推导的CDF表达式（公式23）适用于非同分布瑞利衰落信道，包含了中继和接收端干扰的贡献。
• 对于同分布且功率相等的干扰源，CDF显著简化，当j = L时，特征系数简化为单一非零项（公式26）。
• 通过将瑞利衰落参数替换为形状参数和扩展参数，并使用修改后的干扰信道增益PDF，将分析扩展至Nakagami-m衰落（公式27–28）。
• 理论中断概率结果与蒙特卡洛仿真结果高度吻合，验证了推导表达式的准确性。
• 使用Meijer G函数和广义超几何函数，使得复杂积分能够以解析上可处理的形式表示。