[論文レビュー] Achievable rate regions for bi-directional relaying

Sang Joon Kim, Natasha Devroye+2 more|ArXiv.org|Aug 7, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 17被引用数 55

ひとこと要約

本稿では、増幅・転送、復元・転送、圧縮・転送、および新規の混合転送方式を用いた、8つの半二重双方向リレープロトコル（4つが新規、4つが既存）を提案および分析する。Gaussianチャネルにおける実現可能レート領域を導出し、プロトコル選択がSNRおよびリレー構造に強く依存することを示し、スペクトル効率の観点から、高SNRでは2段階MABCプロトコルが3段階TDBCプロトコルを上回ることが多いことを明らかにする。

ABSTRACT

In a bi-directional relay channel, two nodes wish to exchange independent messages over a shared wireless half-duplex channel with the help of a relay. In this paper, we derive achievable rate regions for four new half-duplex protocols and compare these to four existing half-duplex protocols and outer bounds. In time, our protocols consist of either two or three phases. In the two phase protocols, both users simultaneously transmit during the first phase and the relay alone transmits during the second phase, while in the three phase protocol the two users sequentially transmit followed by a transmission from the relay. The relay may forward information in one of four manners; we outline existing Amplify and Forward (AF), Decode and Forward (DF) and Compress and Forward (CF) relaying schemes and introduce the novel Mixed Forward scheme. The latter is a combination of CF in one direction and DF in the other. We derive achievable rate regions for the CF and Mixed relaying schemes for the two and three phase protocols. In the last part of this work we provide a comprehensive treatment of 8 possible half-duplex bi-directional relaying protocols in Gaussian noise, obtaining their respective achievable rate regions, outer bounds, and their relative performance under different SNR and relay geometries.

研究の動機と目的

• 半二重制約下での双方向リレーチャネルにおけるスペクトル効率の高い伝送方式の開発を目的とする。
• 実現可能レート領域の観点から、4つの新規および4つの既存の半二重リレープロトコルの性能を比較することを目的とする。
• 圧縮・転送および新規の混合転送リレープロトコルの実現可能レート領域を導出し、分析することを目的とする。
• SNRおよびリレー構造がプロトコル性能に与える影響を評価し、最適な構成を同定することを目的とする。
• 包括的な外側境界を提供し、それらを実現可能レートと比較してタイトさを評価することを目的とする。

提案手法

• 2段階の多重アクセスブロードキャスト（MABC）および3段階のタイムドメインブロードキャスト（TDBC）プロトコルの2つの新規プロトコルを提案する。
• MABCプロトコルにおける片方向に圧縮・転送、もう片方に復元・転送を組み合わせた「混合転送」リレープロトコルを導入する。
• 確率的符号化の議論、典型集合符号化、および漸近的等分割性（AEP）を用いた誤り確率の境界を用いて、実現可能レート領域を導出する。
• Markovの補題およびCarathéodoryの定理を用いて、レート領域の特徴付けを有限次元集合へ簡略化する。
• チャネル入力、出力、および補助確率変数を含む相互情報量の式を用いて、誤り確率を境界付ける。
• さまざまなSNRおよびリレー構造において、実現可能レートと外側境界の数値的評価を通じて、プロトコルを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるSNR領域において、どの半二重双方向リレープロトコルが最高のスペクトル効率を達成するか？
• RQ2 新規の混合転送リレープロトコルは、従来の増幅・復元・転送および圧縮・転送方式と比較して、どのように性能を発揮するか？
• RQ3 リレー構造が2段階プロトコルと3段階プロトコルの相対的性能に与える影響は何か？
• RQ4 各プロトコルの外側境界は、実現可能レート領域に対してどの程度タイトか？
• RQ5 どのようなチャネル条件において、2段階MABCプロトコルが3段階TDBCプロトコルを上回るか？

主な発見

• 高SNRにおいて、段階数の削減により2段階MABCプロトコルは3段階TDBCプロトコルよりも高いスペクトル効率を達成する。
• 特定の非対称チャネル条件では、混合転送リレープロトコルが純粋な圧縮・転送または復元・転送よりも高いレートを達成する。
• MABCプロトコルにおける圧縮・転送の実現可能レート領域は、同時典型性および補助確率変数を用いて導出され、誤り確率はAEPを用いて境界付けられている。
• 外側境界は、TDBCのようなサイド情報を持つプロトコルの方が、MABCのような情報のないプロトコルよりも、特に低SNRでタイトである。
• 性能比較の結果、プロトコル選択はSNRおよびリレー構造に強く依存しており、あらゆる状況で優位なプロトコルは存在しない。
• Carathéodoryの定理を用いた有限な補助アルファベットサイズ（|Q| ≤ 6）の導入により、レート領域の特徴付けが計算的に扱いやすくなる。