[論文レビュー] DMT of Multi-hop Cooperative Networks - Part II: Half-Duplex Networks with Full-Duplex Performance

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

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 16被引用数 25

ひとこと要約

本稿は、半二重モードマルチホップ協調ネットワークにおける多様性-多重度利得トレードオフ（DMT）を特徴づけ、K-Parallel-Path（KPP）および階層型ネットワークが、アンプアンドフォワードリレーリングと明示的なスケジューリングのみを用いて、DMTにおけるカットセット境界に到達することを示している。半二重モードの制約がこれらのネットワークにおいてDMT損失を引き起こさないことを証明し、循環除法代数を用いて短ブロック長コードを構築し、最適性能を達成している。

ABSTRACT

We consider single-source single-sink (ss-ss) multi-hop relay networks, with slow-fading links and single-antenna half-duplex relay nodes. In a companion paper, we established some basic results which laid the foundation for the results presented here. In the present paper, we consider two families of networks of half-duplex networks. KPP networks may be viewed as the union of K node-disjoint parallel relaying paths. Generalizations of these networks include KPP(I) networks, which permit interference between paths and KPP(D) networks, which possess a direct link between source and sink. We characterize the DMT of these families of networks completely and show that they can achieve the cut-set bound, thus proving that full-duplex performance can be obtained even in the presence of the half-duplex constraint. We then consider layered networks, and prove that a linear DMT between maximum diversity and maximum multiplexing gain is achievable. All protocols in this paper are explicit and use only amplify-and-forward relaying. We also construct codes that achieve the optimal DMT for all the proposed schemes. Two key implications of the results in the paper are that the half-duplex constraint does not entail any rate loss for a large class of cooperative networks and that AF protocols are often optimal.

研究の動機と目的

• マルチホップリレーネットワークにおける半二重モード動作が、フル二重モードシステムと比較してDMT性能に損失を及えるかどうかを特定すること。
• 半二重制約下におけるK-Parallel-Path（KPP）および階層型ネットワークのDMTを特徴づけること。
• これらのネットワークにおいて、DMTのカットセット上限が達成可能であることを確立し、半二重モードによるレート損失がないことを示すこと。
• アンプアンドフォワード（AF）リレーリングのみを用いた明示的で低複雑度のプロトコルを設計し、最適DMTを達成すること。
• 循環除法代数に基づく短ブロック長空間時間コードを構築し、提案されたすべてのスキームにおいて最適DMTを達成すること。

提案手法

• K個のノード非交差平行パスの集合としてKPPネットワークを分析し、KPP(I)（干渉を許容）およびKPP(D)（直接リンクあり）への一般化を実施。
• パス間の時間分割スケジューリングを導入し、最適多重度利得を達成することを証明し、K > 3 である単一アンテナKPPネットワークで最大多重度利得1が達成可能であることを示す。
• 線形計画法を用いてパスの活性化割合の集合を特徴づけ、各パスが時間の≤1/3まで活性化されるすべての割合が実現可能であることを証明する。
• カットセット境界をDMTの上限として適用し、明示的なスケジューリングとAFプロトコルを用いて、KPPおよび階層型ネットワークでその達成可能性を証明する。
• 循環除法代数を用いて短ブロック長コードを構築し、任意の fading チャネルで最適DMTを達成することを保証する。
• MIMO Rayleigh チャネルで全多様性を達成するコードが、一般 fading チャネルでも全多様性を達成することを示し、コードの適用範囲を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半二重モードマルチホップリレーネットワークは、フル二重モードネットワークと同等のDMTを達成できるか？
• RQ2 半二重動作下におけるK-Parallel-Path（KPP）ネットワークのDMTは何か？ また、カットセット境界に到達可能か？
• RQ3 階層型ネットワークでは、最大多様性と多重度利得1の間で線形DMTが達成可能か？ どのような条件下で達成可能か？
• RQ4 複雑な符号化やスケジューリングを必要としない、単純なアンプアンドフォワード（AF）プロトコルが、半二重モードネットワークで最適DMTを達成可能か？
• RQ5 循環除法代数に基づく短ブロック長空間時間コードは、これらのネットワークで最適DMTを達成可能か？

主な発見

• K > 3 であるKPPネットワークでは、DMTがカットセット上限に達し、半二重モードによるDMT損失がないことを証明している。
• 4層未満の単一アンテナ完全接続階層型ネットワークでは、DMTは線形であり、カットセット上限と一致し、このクラスのDMTが完全に特徴づけられている。
• 半二重KPPネットワークにおいて、パス間の明示的時間分割スケジューリングにより、最大多重度利得1が達成可能である。
• 提案されたすべてのプロトコルは、アンプアンドフォワード（AF）リレーリングのみを用いており、単純なリレーリング方式が最適DMTを達成可能であることを示している。
• 循環除法代数に基づく短ブロック長コードは、すべての提案スキームで最適DMTを達成しており、実装可能性を高めている。
• MIMO Rayleigh チャネルで全多様性を達成するコードが、一般 fading チャネルでも全多様性を達成することを示し、コードの適用範囲が広がっている。