[論文レビュー] Diversity of MIMO Multihop Relay Channels

Sheng Yang, Jean‐Claude Belfiore|ArXiv.org|Aug 2, 2007

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 46被引用数 75

ひとこと要約

本稿は、高SNRにおける固定ネットワークサイズを有するMIMOマルチホップリレーチャネルにおける多様性-多重度トレードオフ（DMT）を分析する。固定ネットワークサイズの下で、並列アンプリファイアンドフォワード（AF）経路に基づくフリップアンドフォワード（FF）方式を提案し、分散型マルチホップネットワークにおいて最大の多様性と多重度ゲインを達成する。また、提示されたDMT性能を実現する近似的にユニバーサルな空間時間符号化方式も導入する。

ABSTRACT

We consider slow fading relay channels with a single multi-antenna source-destination terminal pair. The source signal arrives at the destination via N hops through N-1 layers of relays. We analyze the diversity of such channels with fixed network size at high SNR. In the clustered case where the relays within the same layer can have full cooperation, the cooperative decode-and-forward (DF) scheme is shown to be optimal in terms of the diversity-multiplexing tradeoff (DMT). The upper bound on the DMT, the cut-set bound, is attained. In the non-clustered case, we show that the naive amplify-and-forward (AF) scheme has the maximum multiplexing gain of the channel but is suboptimal in diversity, as compared to the cut-set bound. To improve the diversity, space-time relay processing is introduced through the parallel partition of the multihop channel. The idea is to let the source signal go through K different "AF paths" in the multihop channel. This parallel AF scheme creates a parallel channel in the time domain and has the maximum diversity if the partition is properly designed. Since this scheme does not achieve the maximum multiplexing gain in general, we propose a flip-and-forward (FF) scheme that is built from the parallel AF scheme. It is shown that the FF scheme achieves both the maximum diversity and multiplexing gains in a distributed multihop channel of arbitrary size. In order to realize the DMT promised by the relaying strategies, approximately universal coding schemes are also proposed.

研究の動機と目的

• 固定ネットワークサイズの下で高SNRにおけるMIMOマルチホップリレーチャネルにおける基本的多様性-多重度トレードオフ（DMT）を同定すること。
• 同じレイヤー内に存在するリレーセルが完全に協調可能なクラスタードケースにおける最適リレーリング戦略を特定すること。
• 非クラスタードマルチホップネットワークにおいて従来のアンプリファイアンドフォワード（AF）方式が多様性ゲインの観点で劣化している理由を解明すること。
• 任意サイズのマルチホップネットワークにおいて、最大の多様性と多重度ゲインを達成する分散型リレーリング方式を設計すること。
• 提案されたリレーリング戦略が保証するDMT性能を実現する近似的にユニバーサルな空間時間符号化方式を開発すること。

提案手法

• 情報理論的カットセット境界を用いてDMTの上界を導出し、性能ベンチマークとして用いる。
• クラスタードケースにおける協調的デコードアンドフォワード（DF）方式を分析し、カットセット境界に達していること、したがってDMTにおいて最適であることを示す。
• マルチホップチャネルをK個の独立したAF経路に分割することで、並列AF方式を導入し、時間領域における並列チャネル構造を構築する。
• 並列AF構造とリレーセレクション機構を統合したフリップアンドフォワード（FF）方式を提案し、全多様性と多重度ゲインを達成する。
• ブロック対角およびフルレート構成に基づく近似的にユニバーサルな空間時間符号を設計し、一般の fading 統計のもとでDMTを達成する。
• 大規模なランダム行列理論および特異値分解を用いて、並列AFおよびFF方式における有効チャネル行列の固有値分布を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定ネットワークサイズの下で高SNRにおけるMIMOマルチホップリレーチャネルにおける基本的多様性-多重度トレードオフ（DMT）は何か？
• RQ2 同じレイヤー内のリレーセルが協調可能なクラスタードマルチホップリレーチャネルにおいて、DMTのカットセット境界を達成できるか？
• RQ3 非クラスタードマルチホップネットワークにおいて、ナイーブなアンプリファイアンドフォワード（AF）方式が多様性の観点でなぜ劣化しているのか？
• RQ4 一般のマルチホップリレーチャネルにおいて、分散型リレーリング方式が最大の多様性と多重度ゲインを達成できるか？
• RQ5 任意の fading 統計のもとで、リレーリング戦略が保証するDMTを近似的に達成する空間時間符号はどのように設計できるか？

主な発見

• クラスタードケースでは、協調的デコードアンドフォワード（DF）方式がカットセット境界に達しており、DMTにおいて最適であることが示された。
• ナイーブなアンプリファイアンドフォワード（AF）方式は最大の多重度ゲインを達成するが、カットセット境界に比べて多様性性能が劣化している。
• 適切に設計された分割がなされた場合、提案された並列AF方式は最大の多様性ゲインを達成する。
• 並列AF構造に基づくフリップアンドフォワード（FF）方式は、任意サイズの分散型マルチホップネットワークにおいて、最大の多様性と多重度ゲインを達成する。
• ブロック対角およびフルレート手法を用いて構築された近似的にユニバーサルな空間時間符号は、一般の fading 統計のもとで並列チャネルのDMTを達成する。
• 並列AF方式のDMTが、大規模なランダム行列理論を用いて解析されたレイリー積（RP）チャネルと等価であることが示された。