[论文解读] Power Allocation for Discrete-Input Non-Ergodic Block-Fading Channels

Khoa D. Nguyen, Albert Guillén i Fàbregas+1 more|ArXiv.org|May 2, 2007

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 6被引用 4

一句话总结

本文针对发射端和接收端均具备完美信道状态信息的离散输入块衰落信道，提出了最优及低复杂度次优功率分配方案。结果表明，最优短时方案的信噪比（SNR）分集增益达到Singleton界，而长时功率约束可带来显著的中断性能增益——在10⁻⁴中断概率下，增益最高可达12 dB；同时，次优方案在复杂度大幅降低的情况下，性能与最优方案极为接近。

ABSTRACT

We consider power allocation algorithms for fixed-rate transmission over Nakagami-m non-ergodic block-fading channels with perfect transmitter and receiver channel state information and discrete input signal constellations under both short- and long-term power constraints. Optimal power allocation schemes are shown to be direct applications of previous results in the literature. We show that the SNR exponent of the optimal short-term scheme is given by the Singleton bound. We also illustrate the significant gains available by employing long-term power constraints. Due to the nature of the expressions involved, the complexity of optimal schemes may be prohibitive for system implementation. We propose simple sub-optimal power allocation schemes whose outage probability performance is very close to the minimum outage probability obtained by optimal schemes.

研究动机与目标

• 设计适用于Nakagami-m块衰落信道中离散输入星座图的固定速率传输的最优及低复杂度功率分配方案。
• 在短时与长时功率约束下，结合发射端与接收端的完美信道状态信息，分析中断性能。
• 证明长时功率分配相较于短时方案在离散输入系统中可带来显著性能增益。
• 提出次优方案，使其在显著降低计算复杂度的同时，性能与最优方案极为接近。

提出的方法

• 通过注水法推导最优短时功率分配，证明其SNR分集增益与Singleton界一致。
• 应用先前关于任意输入分布的并行信道研究结果，推导最优长时功率分配方案。
• 提出一种改进的次优方案，利用参考互信息函数 $ I^{\text{ref}}(\rho) $ 近似 $ I_{\mathcal{X}}(\rho) $，从而实现更简单的计算。
• 引入一种计算高效的互信息近似 $ \tilde{I}_{\mathcal{X}}(\rho) = M(1 - e^{-c_1\rho^{c_2}})^{c_3} $，并针对QPSK优化参数。
• 采用基于阈值 $ \alpha, \beta, \kappa, \eta $ 的两阶段功率分配规则，其中 $ \eta $ 通过近似互信息函数选择，以满足速率约束。
• 采用非因果信道状态信息假设，建模为OFDM系统，其中信道增益在传输前已知。

实验结果

研究问题

• RQ1 在短时功率约束下，离散输入块衰落信道的最优功率分配策略是什么？其基本性能极限如何？
• RQ2 在非遍历块衰落信道中，对于离散输入，长时功率约束相比短时约束如何提升中断性能？
• RQ3 次优功率分配方案是否能在显著降低复杂度的同时，实现接近最优的中断性能？
• RQ4 何种互信息函数近似可实现低复杂度实现，同时保持与最优方案接近的性能？

主要发现

• 对于离散输入，最优短时功率分配方案的SNR分集增益受Singleton界限制，表明其在分集增益方面存在根本性极限。
• 在4个符号块的瑞利衰落块衰落信道中，使用QPSK调制，长时功率分配相比均匀分配在10⁻⁴中断概率下实现高达12 dB的性能增益。
• 所提出的改进阈值次优长时方案（$ \mathbf{p}_{\rm lt}^{\rm ref} $）的中断性能与最优方案相比损失可忽略不计。
• 采用参数化近似 $ \tilde{I}_{\mathcal{X}}(\rho) $，其中 $ c_1=0.77, c_2=0.87, c_3=1.16 $，速率误差 $ \Delta R = 0.0033 $，实现低复杂度实现且性能损失极小。
• 仿真结果表明，使用该近似的次优方案的中断性能与最优方案几乎无法区分，验证了其实际可行性。