[论文解读] Rate and Power Adaptation for Multihop Regenerative Relaying Systems

Elyes Balti, Brian K. Johnson|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2021

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 27被引用 5

一句话总结

本文提出了一种统一的分析框架，用于多跳再生中继系统，采用广义Fox H函数建模多种衰落信道，包括射频（RF）和自由空间光（FSO）衰落。在不同信道状态信息（CSI）可用性条件下评估功率和速率自适应方案，结果表明，最优功率与速率自适应（OPRA）在各种串联与并联中继拓扑结构及多种衰落模型下，尤其在低信噪比（SNR）时，能实现最高的互信息。

ABSTRACT

In this work, we provide a global framework analysis of a multi-hop relaying systems wherein the transmitter (TX) communicates with the receiver (RX) through a set of intermediary relays deployed either in series or in parallel. Regenerative based relaying scheme is assumed such as the repetition-coded decoded-and-forward (DF) wherein the decoding is threshold-based. To reflect a wide range of fading, we introduce the generalized $H$-function (also termed as Fox-$H$ function) distribution model which enables the modeling of radio-frequency (RF) fading like Weibull and Gamma, as well as the free-space optic (FSO) such as the Double Generalized Gamma and Málaga fading. In this context, we introduce various power and rate adaptation policies based on the channel state information (CSI) availability at TX and RX. Finally, we address the effects of relaying topology, number of relays and fading model, etc, on the performance reliability of each link adaptation policy.

研究动机与目标

• 开发一种适用于广义衰落条件下的多跳再生中继系统的统一分析框架。
• 利用Fox H函数对多种射频（RF）和自由空间光（FSO）衰落分布（如Gamma-Gamma、Málaga和双广义伽马衰落）进行建模。
• 评估在发射端与接收端不同CSI可用性条件下，功率与速率自适应方案（OPRA、TCFIR、ORA）的性能。
• 研究中继拓扑结构（串联与并联）、中继数量及衰落模型对系统可靠性与互信息的影响。
• 在不同自适应策略与衰落条件下，提供互信息与中断概率的闭式表达式。

提出的方法

• 采用Fox H函数作为广义数学模型，以表示复杂的衰落分布，涵盖Weibull、伽马、Gamma-Gamma、Málaga及双广义伽马衰落。
• 推导在独立同分布（i.i.d.）衰落信道下，串联与并联中继拓扑结构的端到端信噪比（SNR）累积分布函数（CDF）。
• 提出三种自适应传输方案：最优功率与速率自适应（OPRA）、固定速率下截断信道反转（TCIFR）与最优速率自适应（ORA），每种方案具有不同的功率与速率控制策略。
• 推导每种方案下的互信息闭式表达式，其中OPRA依赖于非线性方程（16）以确定最优截止SNR γ₀。
• 通过分部积分法将互信息表示为包含互补CDF的积分形式：𝒫(γ) = ∫_{γ₀}^{∞} (1 − F_γ(γ))/γ dγ。
• 通过数值仿真验证分析结果，涵盖多种衰落模型（Gamma-Gamma、Málaga、双广义伽马）与中继配置（全激活、选择性中继）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fox H函数如何在多跳中继系统中实现对多种射频（RF）与自由空间光（FSO）衰落模型的统一表示？
• RQ2 在不同自适应策略下，中继拓扑结构（串联与并联）及中继选择（全激活与选择性）对系统性能有何影响？
• RQ3 在不同衰落环境中，不同功率与速率自适应方案（OPRA、TCFIR、ORA）在互信息与频谱效率方面如何比较？
• RQ4 OPRA的最优截止SNR（γ₀）是多少？其如何随衰落严重程度与中继数量变化？
• RQ5 在有效容量约束下，随着QoS参数变化，系统性能在多大程度上趋近于遍历容量？

主要发现

• OPRA方案在所有SNR范围内均实现最高互信息，尤其在低SNR时，归因于其基于瞬时CSI的最优功率与速率自适应。
• 数值验证表明，OPRA的最优截止SNR（γ₀）始终被限制在区间（0, 1]内，与中继数量或衰落模型无关。
• TCFIR与ORA方案的互信息低于OPRA；在高SNR时，ORA优于TCFIR，但均逊于OPRA。
• 在强湍流与指向误差条件下（如Gamma-Gamma衰落，参数α=2.902，β=2.51），OPRA方案相比其他策略保持更优的频谱效率。
• 对于弱湍流条件下的双广义伽马衰落（α₁=3，α₂=1.5），当QoS指数乘积（φ·B·T_f）减小时，有效容量增加，并趋近于遍历容量。
• 数值结果证实了所推导互信息表达式的分析准确性，仿真与理论结果在所有方案与衰落模型下均高度一致。