[論文レビュー] Capacity Scaling for MIMO Two-Way Relaying

Rahul Vaze, Robert W. Heath|ArXiv.org|Jun 20, 2007

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、複数のアンプリファイ・アンド・フォワードリレーや、コherentリレーに対する分散型デュアルチャネルマッチング戦略、非coherentリレーに対するシンプルなアンプリファイ・アンド・フォワード方式を提案するMIMO双向リレーチャネルにおける容量スケーリングを分析している。完全なCSIが送信元に存在する場合、容量は送信元アンテナ数に線形に、リレー数に対数的にスケーリングする。非coherentの場合、容量はアンテナ数に線形に、SNRに対数的にスケーリングし、1/2レート損失要因を除去することで、単方向半二重通信方式に比べスペクトル効率の向上を達成する。

ABSTRACT

A multiple input multiple output (MIMO) two-way relay channel is considered, where two sources want to exchange messages with each other using multiple relay nodes, and both the sources and relay nodes are equipped with multiple antennas. Both the sources are assumed to have equal number of antennas and have perfect channel state information (CSI) for all the channels of the MIMO two-way relay channel, whereas, each relay node is either assumed to have CSI for its transmit and receive channel (the coherent case) or no CSI for any of the channels (the non-coherent case). The main results in this paper are on the scaling behavior of the capacity region of the MIMO two-way relay channel with increasing number of relay nodes. In the coherent case, the capacity region of the MIMO two-way relay channel is shown to scale linearly with the number of antennas at source nodes and logarithmically with the number of relay nodes. In the non-coherent case, the capacity region is shown to scale linearly with the number of antennas at the source nodes and logarithmically with the signal to noise ratio.

研究の動機と目的

• 複数のリレーノードを有するMIMO双向リレーチャネルの容量スケーリング特性を特定すること。
• リレーのCSI利用可能性（coherent：CSIあり vs. non-coherent：CSIなし）が容量スケーリングに与える影響を分析すること。
• 理論的上限値から一定のギャップ内で容量スケーリングを達成する実用的な伝送戦略を開発すること。
• 半二重双向リレーリングが、フルデュプレックス単方向システムと同等のスペクトル効率の向上を達成できることを示すこと。

提案手法

• コherent MIMO双向リレーチャネルの容量領域に対して、ブロードキャストおよび複数アクセスのカットセット境界を用いて上限を導出する。
• 各リレーが自身のCSIに基づいて独立に送信を整合化する分散型デュアルチャネルマッチング戦略を提案する。リレー間の協調は不要。
• 非coherentケースでは、リレーでパワー正規化を行うシンプルなアンプリファイ・アンド・フォワードプロトコルを用いる。リレーにCSIは不要。
• K → ∞ のとき、コherentおよび非coherent両ケースにおいて、実現可能なレート領域が上限値からO(1)ギャップ内にあることを確立する。
• 解析を簡略化し、双方向通信における公平性を保証するため、時間割り当てを α = 1/2（上行リンクと下行リンクに等時間割り当て）に固定する。
• 高SNR領域において、リレーにCSIがなくてもAF戦略を用いることで上限値がO(1)ギャップ内で達成可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コherent動作下で、MIMO双向リレーチャネルの容量領域は、リレー数にどのように依存するか？
• RQ2 分散型リレー戦略は、コherent MIMO双向リレーチャネルにおいて理論的上限値に近い容量スケーリングを達成できるか？
• RQ3 リレーにCSIがない（非coherent）場合の容量スケーリング特性は何か？ また、単方向半二重方式と比較してどうなるか？
• RQ4 リレーにCSIがなく、アンプリファイ・アンド・フォワードプロトコルを用いる場合、高SNR領域で近似容量性能が達成できるか？
• RQ5 双向リレーチャネル構造は、半二重単方向リレーリングに内在する1/2スペクトル効率損失を排除できるか？

主な発見

• コherentケースでは、容量領域は送信元ノードのアンテナ数に線形に、リレー数に対数的にスケーリングする。
• 提案されたデュアルチャネルマッチング戦略は、リレー間協調がなくても、上限値からO(1)ギャップ内のレート領域を達成する。
• 非coherentケースでは、実現可能なレートは送信元アンテナ数に線形に、信号対雑音比（SNR）に対数的にスケーリングする。
• リレーにCSIがなく、シンプルなアンプリファイ・アンド・フォワードプロトコルを用いる場合、高SNR領域で上限値からO(1)ギャップ内に達成可能である。
• MIMO双向リレーチャネルは、1/2レート損失要因を排除することで、単方向半二重通信に比べ2倍のスペクトル効率向上を達成する。
• K → ∞ のとき、送信元と受信元間の有効チャネルはi.i.d. MIMOガウスチャネルに収束し、ポイント・ツー・ポイント MIMO リンクと同様の容量スケーリングが可能になる。