[论文解读] Performance Analysis of M-QAM Multihop Relaying over mmWave Weibull Fading Channels.

Abdelaziz Soulimani, Mustapha Benjillali+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2016

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 16被引用 19

一句话总结

本文针对毫米波Weibull衰落信道中的M-QAM多跳中继系统，提出了一种精确的闭式性能分析方法，采用广义超几何函数建模中断概率、误比特率（BER）、符号错误率（SER）、块错误率（BLER）、容量和能量效率。该文推导出可显著降低BER并提升能量效率的最优功率分配策略，并通过蒙特卡洛仿真及新型特殊函数计算代码进行验证。

ABSTRACT

The paper presents a comprehensive closed-form performance analysis framework for multihop communications over Weibull fading channels. The analyzed scheme consists basically of multiple regenerative relays with generalized high-order quadrature amplitude modulation (M-QAM) transmissions. To take into consideration the channel fading in the mmWave range, we adopt the advocated Weibull model for its flexible ability to cover different channel conditions. The end-to-end performance is evaluated in terms of outage probability, bit error probability (BER), symbol error probability (SER), block error rate (BLER), ergodic capacity, and energy efficiency (EE). For all the metrics, we present exact closed-form expressions along with their asymptotic behavior, some in terms of generalized hypergeometric functions. Based on the obtained analytical results, we also present a practical application, we derive two BER- and EE-optimal transmit power allocation strategies, and we discuss the resulting performance gains. The exactness of our analysis is illustrated by numerical examples, and assessed via Monte-Carlo simulations for different system and channel parameters. Finally, as a secondary contribution, noting the increasing popularity of Fox's H and bivariate H functions, we provide new and generalized codes for computing these functions which are of practical utility in different contexts.

研究动机与目标

• 为毫米波Weibull衰落信道中的多跳M-QAM系统建立全面的分析框架。
• 评估包括中断概率、误比特率（BER）、符号错误率（SER）、块错误率（BLER）、容量和能量效率在内的关键性能指标。
• 推导出可最小化BER并最大化能量效率的最优发射功率分配策略。
• 为信号处理与通信领域提供新的特殊函数计算工具，用于Fox's H函数与双变量H函数的计算。
• 通过在不同系统与信道参数下进行蒙特卡洛仿真，验证分析结果的准确性。

提出的方法

• 采用Weibull衰落模型，以灵活的衰落严重程度准确描述毫米波信道条件。
• 利用广义超几何函数，推导出中断概率、BER、SER、BLER、容量和能量效率的精确闭式表达式。
• 分析性能指标在高信噪比（SNR）条件下的渐近行为，以理解系统在高SNR下的行为特性。
• 基于性能指标的分析优化，提出两种发射功率分配策略——BER最优与EE最优。
• 提出广义计算代码，用于Fox's H函数与双变量H函数，以支持未来在特殊函数计算方面的研究。
• 通过在不同信道与系统参数下进行广泛的蒙特卡洛仿真，验证分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Weibull衰落毫米波信道中，多跳M-QAM系统的中断概率、BER、SER、BLER、容量和能量效率的精确闭式表达式是什么？
• RQ2 这些性能指标在高信噪比条件下的渐近行为如何随信噪比和衰落参数变化？
• RQ3 在该类系统中，如何实现最小化BER并最大化能量效率的最优功率分配策略？
• RQ4 在不同系统配置下，所推导的分析表达式与实际仿真结果相比，其准确性如何？
• RQ5 在无线通信分析中，可开发哪些实用的计算工具来高效评估Fox's H函数与双变量H函数？

主要发现

• 本文利用广义超几何函数，推导出中断概率、BER、SER、BLER、容量和能量效率的精确闭式表达式。
• 渐近分析揭示了在高信噪比条件下，系统具有分集增益与编码增益特性。
• BER最优功率分配策略在所有中继跳数上均显著降低误比特率，优于均匀功率分配。
• EE最优功率分配策略在低至中等信噪比区域显著提升了频谱效率与能量效率。
• 蒙特卡洛仿真结果验证了分析表达式在广泛衰落参数与系统配置下的高精度。
• 本文提供了适用于Fox's H函数与双变量H函数的广义计算代码，可为未来研究与应用中的高效计算提供支持。