[論文レビュー] Differential Modulation for Bi-directional Relaying with Analog Network Coding

Lingyang Song, Yonghui Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2011

Cooperative Communication and Network Coding被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、送信機およびリレ一にチャネル状態情報（CSI）を必要としない、双方向アンプ・アンド・フォワードリレーアークイテクチャのための微分変調方式を提案する。パワー推定と信号差し引きを用いた微分検出により、同相検出に近い性能を達成し、わずか約3 dBの損失に抑えられ、最適なパワー割り当てにより等パワー方式と比較して1–2 dBの性能向上が達成される。

ABSTRACT

In this paper, we propose an analog network coding scheme with differential modulation (ANC-DM) using amplify-and-forward protocol for bidirectional relay networks when neither the source nodes nor the relay knows the channel state information (CSI). The performance of the proposed ANC-DM scheme is analyzed and a simple asymptotic bit error rate (BER) expression is derived. The analytical results are verified through simulations. It is shown that the BER performance of the proposed differential scheme is about 3 dB away from that of the coherent detection scheme. To improve the system performance, the optimum power allocation between the sources and the relay is determined based on the simplified BER. Simulation results indicate that the proposed differential scheme with optimum power allocation yields 1-2 dB performance improvement over an equal power allocation scheme.

研究の動機と目的

• CSIが入手不可である高速 fading 無線リレーネットワークにおける高コストなチャネル推定の課題に対処する。
• パイロットのオーバーヘッドや複雑なCSIフィードバックを回避する、実用的な双方向リレーリング用微分変調方式を設計する。
• 時間スロット間の信号相関を活用した低コストで線形検出に基づく微分受信機を構築する。
• 高SNR領域における漸近的ビット誤り率（BER）式を導出し、送信機とリレー間の最適パワー割り当てを指針とする。
• CSIを必要としない条件下で、最適パワー割り当てによるシステム性能の向上を実現し、シミュレーションと解析によって検証する。

提案手法

• 2つの送信機と1つのリレーを有する3ノードの双方向リレーネットワークにおいて、アンプ・アンド・フォワード（AF）プロトコルを用いたアナログ・ネットワーク・コーディング（ANC）方式を提案する。
• 両送信機で非同相伝送を用いた微分変調を採用し、パイロット記号やCSIの必要性を排除する。
• 受信側では、推定されたチャネルパワー利得を用いて、送信元自身の送信信号を重ね合わせ信号から差し引くことで、微分検出を実行する。
• 受信信号から有効チャネル利得（μ）を推定するパワー推定に基づく手法を導入し、CSIがなくても同相検出に類似した動作を可能にする。
• 統計的信号モデルとモーメント生成関数を用いて、高SNR領域における漸近的BER式を導出する。
• 全パワー制約下で導出された漸近的BERを最小化することにより、送信機とリレー間のパワー割り当てを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機およびリレーにチャネル状態情報（CSI）が存在しない状況下でも動作可能な、双方向リレーリング用の微分変調方式を設計できるか？
• RQ2 提案された微分変調方式と同相検出との間のビット誤り率（BER）の性能ギャップはどの程度か？
• RQ3 提案された微分検出手法は、従来の非同相方式と比較して、複雑さと性能の両面で優れているか？
• RQ4 CSIが入手不可な状況下で、BERを最小化するための送信機とリレー間の最適パワー割り当て戦略は何か？
• RQ5 高SNR条件下において、定相位回転が提案された微分変調方式に性能向上をもたらすか？

主な発見

• 提案された微分変調方式は、CSIが存在しない状況下でも、同相検出方式と比較して約3 dB以内のビット誤り率（BER）性能を達成する。
• 高SNR領域における漸近的BER式は、シミュレーション結果とよく一致しており、解析モデルの妥当性が裏付けられる。
• 最適パワー割り当て（送信機が $ p_s = p/4 $、リレーが $ p_r = p/2 $ として送信）により、等パワー方式と比較して1–2 dBの性能向上が達成される。
• パワー推定と信号差し引きに基づく提案された微分検出器は、同相検出に近い性能を達成し、わずか約3 dBの損失に抑えられる。これにより、最大6 dBの損失を示す従来の非同相方式を上回る性能を発揮する。
• 有効チャネル利得 $ \tilde{\mu} $ の推定は、特に高SNR領域で非常に正確であり、正規化MSE曲線から明らかである。
• 長フレーム長において、定相位回転は有意な性能向上をもたらさないことが示され、この方式はこのような修正なしでも頑健であることが判明した。