[論文レビュー] DMT of Multi-hop Cooperative Networks - Part I: Basic Results

K. Sreeram, S. Birenjith+1 more|ArXiv.org|Aug 2, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 48被引用数 22

ひとこと要約

本稿は、増幅・再送（AF）中継を用いたマルチホップ協調無線ネットワークにおける多様性-多重度トレードオフ（DMT）の基礎的結果を確立する。最大多様性ゲインが送信元と受信先間の最小カットに等しく、最大多重度ゲインが最小カットランクに等しいことを証明し、決定的ネットワークへの新しい接続を用い、同伴論文で明示的なプロトコルと符号が提示されている。

ABSTRACT

In this two-part paper, the DMT of cooperative multi-hop networks is examined. The focus is on single-source single-sink (ss-ss) multi-hop relay networks having slow-fading links and relays that potentially possess multiple antennas. The present paper examines the two end-points of the DMT of full-duplex networks. In particular, the maximum achievable diversity of arbitrary multi-terminal wireless networks is shown to be equal to the min-cut. The maximum multiplexing gain of arbitrary full-duplex ss-ss networks is shown to be equal to the min-cut rank, using a new connection to a deterministic network. We also prove some basic results including a proof that the colored noise encountered in AF protocols for cooperative networks can be treated as white noise for DMT computations. The DMT of a parallel channel with independent MIMO links is also computed here. As an application of these basic results, we prove that a linear tradeoff between maximum diversity and maximum multiplexing gain is achievable for full-duplex networks with single antenna nodes. All protocols in this paper are explicit and rely only upon amplify-and-forward (AF) relaying. Half duplex networks are studied, and explicit codes for all protocols proposed in both parts, are provided in the companion paper.

研究の動機と目的

• 全二重モード中継とスロールーキングチャネルを有する単一送信源・単一受信先（ss-ss）マルチホップ協調ネットワークにおける基本的DMT結果を確立すること。
• 任意の全二重モードss-ssネットワークにおけるDMTの両端点、すなわち最大多様性と最大多重度ゲインを特徴づけること。
• 任意のマルチターミナルネットワークにおける最大達成可能多様性ゲインが、送信元と受信先間の最小カットに等しいことを証明すること。
• 決定的ネットワークの容量が既に同定された新規な操作的接続を用いて、全二重モードss-ssネットワークにおける最大多重度ゲイン（MMG）が最小カットランクに等しいことを示すこと。
• DMT計算における色付きノイズを白色ノイズとして扱う解析的ツールや、三角行列型チャネル行列に対する下界を導出すること。

提案手法

• カットセットの議論を用いて、任意のss-ssネットワークにおける最大多様性ゲインが送信元と受信先間の最小カットに等しいことを確立した。
• 最近同定された容量が既知の決定的ネットワークへの操作的リンクを構築することで、最大多重度ゲイン（MMG）が最小カットランクに等しいことを証明した。
• Varadhanの補題を用いて、多重度ゲイン制約の下で個々の多様性関数の和を最小化することで、並列チャネルのDMT指数を計算した。
• 決定的ネットワークにおける容量を達成するスキームを、元のフェージングネットワークにおけるMMGを達成するスキームに変換する変換を導入した。
• DMT計算の目的で、増幅・再送（AF）プロトコルにおける色付きノイズを白色ノイズとして扱い、解析を簡略化した。
• 三角行列型チャネル行列のDMTに対する下界を導出し、既存のDMT結果の代替的でしばしばより単純な証明と、ネットワークDMT挙動に関する新たな洞察を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スロールーキングリンクを有する任意のss-ssマルチホップ協調ネットワークにおける最大達成可能多様性ゲインは何か？
• RQ2 全二重モードss-ssネットワークにおける最大多重度ゲイン（MMG）は何か、そして構成的プロトコルによって達成可能か？
• RQ3 容量が既知の決定的ネットワークへの接続を用いて、フェージングネットワークのDMTを特徴づけられるか？
• RQ4 AFベースの協調プロトコルにおける色付きノイズがDMT性能に影響を及ぼすか、解析のために白色ノイズに簡略化可能か？
• RQ5 全二重モード中継を有する任意のss-ss単一アンテナ有向無閉路ネットワークにおいて、多様性と多重度ゲインの線形トレードオフが達成可能か？

主な発見

• 任意のss-ssマルチホップ協調ネットワークにおける最大多様性ゲインは、送信元と受信先間の最小カットに等しく、根本的な上限を確立する。
• 任意の全二重モードss-ssネットワークにおける最大多重度ゲイン（MMG）は最小カットランクに等しく、決定的ネットワークからの操作的マッピングによりこの上限が達成可能である。
• 明示的なAFプロトコルを用いて、全二重モード中継を有する任意のss-ss単一アンテナ有向無閉路ネットワークにおいて、多様性と多重度ゲインの線形トレードオフが達成可能である。
• 独立なMIMOリンクから成る並列チャネルのDMTが計算され、全体のDMTが多重度ゲイン制約の下で個々のDMTの下界の下限に等しいことが示された。
• AFプロトコルにおける色付きノイズは、DMT計算の目的で白色ノイズとして扱うことができ、精度を損なわず解析を簡略化できる。
• 三角行列型チャネル行列のDMTに対する下界が導出され、既存の文献におけるDMT結果の代替的でしばしばより単純な証明と、ネットワークDMT挙動に関する新たな洞察を可能にした。