[論文レビュー] A Novel Cooperative Strategy for Wireless Multihop Backhaul Networks

Song-Nam Hong, Ivana Marić+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2015

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 29被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、グループ逐次リレーリングと最適化された量子化・マッピング・フォワーディング（QMF）符号化方式を用いた、5G無線マルチホップバックホールネットワーク向けの新規協調伝送方式を提案する。干渉を有用な信号として活用する干渉活用ルーティングと低複雑度の逐次MIMOデコーダーを活用することで、特に高密度ネットワークにおいて顕著なスペクトル効率の向上を達成し、リレートランスミットパワーとデコーディングの複雑度を低減した従来のデコードアンドフォワードマルチホップルーティングを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

The 5G wireless network architecture will bring dense deployments of base stations called {\em small cells} for both outdoors and indoors traffic. The feasibility of their dense deployments depends on the existence of a high data-rate transport network that can provide high-data backhaul from an aggregation node where data traffic originates and terminates, to every such small cell. Due to the limited range of radio signals in the high frequency bands, multihop wireless connection may need to be established between each access node and an aggregation node. In this paper, we present a novel transmission scheme for wireless multihop backhaul for 5G networks. The scheme consists of 1) {\em group successive relaying} that established a relay schedule to efficiently exploit half-duplex relays and 2) an optimized quantize-map-and-forward (QMF) coding scheme that improves the performance of QMF and reduces the decoding complexity and the delay. We derive an achievable rate region of the proposed scheme and attain a closed-form expression in the asymptotic case for several network models of interests. It is shown that the proposed scheme provides a significant gain over multihop routing (based on decode-and-forward), which is a solution currently proposed for wireless multihop backhaul network. Furthermore, the performance gap increases as a network becomes denser. For the proposed scheme, we then develop energy-efficient routing that determines {\em groups} of participating relays for every hop. To reflect the metric used in the routing algorithm, we refer to it as {\em interference-harnessing} routing. By turning interference into a useful signal, each relay requires a lower transmission power to achieve a desired performance compared to other routing schemes. Finally, we present a low-complexity successive decoder, which makes it feasible to use the proposed scheme in practice.

研究の動機と目的

• 無線マルチホップリレーリングを用いて、高密度な5Gスモールセル展開におけるバックホール容量のボトルネックを解消すること。
• 高密度ネットワークにおける干渉に配慮したルーティングおよびデコードアンドフォワードマルチホップ方式の限界を克服すること。
• 干渉をノイズとして扱うのでなく、建設的に活用する協調伝送方式を開発すること。
• 干渉を活用して送信電力を低減するエネルギー効率の高いリレーセレクションアルゴリズムを設計すること。
• 低複雑度の逐次MIMOデコーダーを導入することで、実用的な展開を可能にすること。

提案手法

• すべてのL個の送信元が同時に送信するグループ逐次リレーリングを導入。各ホップでL個のリレーエージェントが受信信号の関数を送信する。
• リレーエージェントでの受信信号の最適量子化を実行する最適化QMF方式を提案。これにより性能向上とデコーディング遅延の低減を実現。
• 受信電力が最大となるリレーエージェントを選択する干渉活用ルーティングを提案。干渉を建設的信号に変換する。
• 漸近的ネットワークモデルにおける提案方式の閉形式で表せる可達レート領域を導出。
• 線形受信機（例：干渉なし（IF）受信機）を用いた低複雑度の逐次MIMOデコーダーを設計。これにより、最小限の複雑度でほぼML性能を達成。
• 実装の実用性を高めるために、点対点チャネル符号（例：LDPC、極性符号）を適用し、中程度の複雑度で実装可能とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチホップバックホールネットワークにおける干渉を避けず、むしろ活用することでスペクトル効率を向上させることは可能か？
• RQ2 高密度ネットワークにおいて、従来のデコードアンドフォワードマルチホップルーティングと比較して、提案QMFベース方式の可達レート向上はどの程度か？
• RQ3 ネットワーク密度（すなわち送信元数L）の増加に伴い、提案方式の性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ4 低複雑度の逐次デコーダーは、実用的妥当性を保ちながらほぼ最適性能を達成できるか？
• RQ5 干渉活用ルーティングは、干渉に配慮したルーティングや従来のルーティングと比較して、リレーの送信電力をどの程度低減できるか？

主な発見

• 提案方式は、マルチホップルーティング（デコードアンドフォワード）と比較して顕著なスペクトル効率の向上を達成しており、ネットワーク密度（L）が高くなるほど性能差が拡大する。
• 高SNR領域では、強い干渉を活用できるため、提案方式はマルチホップルーティングを上回る性能を発揮する。一方、マルチホップルーティングは、特定のリンクでの干渉制限により性能が制限される。
• ネットワーク密度の増加に伴い、提案方式のエネルギー効率が向上し、同じ性能を達成するためのリレー送信電力を低減できる。
• 干渉活用ルーティングは、干渉を避けるのではなく、建設的干渉の恩恵を受けるリレーを選択するため、干渉に配慮したルーティングとは対照的に送信電力を低減する。
• 干渉なし（IF）受信機を用いた逐次MIMOデコーダーは、ML性能からわずか1ビット以内の性能を達成し、特に4ホップ未満のネットワークではマルチホップルーティングを上回る性能を示す。
• 従来のQMFと比較して、最適化QMF方式は性能を著しく向上させるとともに、デコーディングの複雑度を低減し、5Gバックホールネットワークにおけるリアルタイム展開の実用性を高めた。