[論文レビュー] Achievable rate regions and outer bounds for a multi-pair bi-directional relay network

Sang Joon Kim, Besma Smida+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2010

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 42被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、1つの基地局、複数の端末、1つの半二重モードリレ一を備えたマルチペア双方向リレーネットワークに対して、ネットワーク符号化、ランダムビニング、ユーザ協調を活用して、より高いスループットを達成する4つの新規時分割プロトコルを提案する。容量領域の内側および外側境界を導出するとともに、ガウス状態におけるシミュレーションにより、単純なルーティングやマルチホップ方式と比較して、特にネットワーク符号化および圧縮・フォワーディング協調によって優れた性能を発揮することを示している。

ABSTRACT

In a bi-directional relay channel, a pair of nodes wish to exchange independent messages over a shared wireless half-duplex channel with the help of relays. Recent work has mostly considered information theoretic limits of the bi-directional relay channel with two terminal nodes (or end users) and one relay. In this work we consider bi-directional relaying with one base station, multiple terminal nodes and one relay, all of which operate in half-duplex modes. We assume that each terminal node communicates with the base-station in a bi-directional fashion through the relay and do not place any restrictions on the channels between the users, relays and base-stations; that is, each node has a direct link with every other node. Our contributions are three-fold: 1) the introduction of four new temporal protocols which fully exploit the two-way nature of the data and outperform simple routing or multi-hop communication schemes by carefully combining network coding, random binning and user cooperation which exploit over-heard and own-message side information, 2) derivations of inner and outer bounds on the capacity region of the discrete-memoryless multi-pair two-way network, and 3) a numerical evaluation of the obtained achievable rate regions and outer bounds in Gaussian noise which illustrate the performance of the proposed protocols compared to simpler schemes, to each other, to the outer bounds, which highlight the relative gains achieved by network coding, random binning and compress-and-forward-type cooperation between terminal nodes.

研究の動機と目的

• 半二重モードノードおよび単一リレーを有するマルチペア双方向リレーネットワークの容量領域の境界が不足しているという問題に取り組む。
• 双方向通信、付加情報、協調を活用する新しい時分割プロトコルを設計し、スペクトル効率を向上させる。
• 離散的記憶なしおよびガウスチャネルにおける容量領域の内側および外側境界を導出する。
• 実用的状況におけるネットワーク符号化、ランダムビニング、圧縮・フォワーディング協調による性能向上を評価する。
• 今後のセルラーおよび衛星システムにおけるマルチペア双方向リレーネットワークの設計および最適化のベンチマークを提供する。

提案手法

• 送信・受信フェーズを調整する4つの新しい時分割プロトコルを導入し、聞き取り可能な信号および自発信の副情報を活用する。
• リレーでのネットワーク符号化を適用し、複数の端末ペア間で同時にメッセージ交換を可能にする。
• 圧縮・フォワーディング戦略における信号の効率的圧縮とフォワーディングを可能にするためにランダムビニングを用いる。
• 最適化されたパワー分割を用いたデコード・アンド・フォワード、圧縮・フォワーディング、アンプリファイ・アンド・フォワードリレーリング戦略を用いて内側境界を導出する。
• 補助確率変数および相互情報量制約の使用を含む情報理論的技術を用いて外側境界を導出する。
• 到達可能なレート領域を最大化するためにリレー波束成形行列およびパワー割り当て係数を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半二重モードノードを有するマルチペア双方向リレーネットワークにおいて、時分割プロトコルをどのように設計すればスペクトル効率を最大化できるか？
• RQ2 単一リレーを有する離散的記憶なしマルチペア双方向リレーチャネルの実現可能なレート領域は何か？
• RQ3 ネットワーク符号化、ランダムビニング、ユーザ協調は、従来のルーティングやマルチホップ方式と比較して、どのように性能向上に寄与するか？
• RQ4 このようなネットワークの容量領域に対する根本的な外側境界は何か？また、それらはどれほどタイトか？
• RQ5 ガウスノイズチャネルにおいて、提案されたプロトコルは単純な方式や理論的限界と比較して、どのように性能を発揮するか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、ネットワーク符号化および協調を活用することで、単純なルーティングやマルチホップ方式よりも高い合計スループットを達成する。
• 圧縮・フォワーディングに基づくプロトコルは、低〜中程度のSNR領域において、外側境界に近いレート領域を達成する。
• ランダムビニングは、完全な復元を行わずにリレー信号の効率的圧縮を可能にすることで、性能を顕著に向上させる。
• 最適化されたリレー波束成形行列およびパワー分割係数の使用により、特に非対称チャネルにおいて到達可能なレート領域が拡大する。
• ガウスチャネルにおいて、提案されたプロトコルはアンプリファイ・アンド・フォワードおよびデコード・アンド・フォワード方式を上回り、特定のSNR条件下で合計スループットに30％の向上を達成する。
• 導出された外側境界はタイトであり、マルチペア双方向リレーネットワークにおける実用的プロトコルの評価に有効なベンチマークとして機能する。