[論文レビュー] Interference Two-Way Relay Channel with Three End-nodes

Erhan Yilmaz, Raymond Knopp+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、2台のユーザー機器（UE）と全二重モードの基地局（BS）を有する3ノードの干渉型双方向リレーチャネル（ITWRC）モデルを提案し、リレーノードを介して上行リンクと下行リンクの通信を同時に実現する。デコード・アンド・フォワード（DF）方式（レートスプリット有無あり）および部分的DF＋圧縮・アンド・フォワード（pDF+CF）方式を用いた可達レート領域を導出。干渉をサイド情報として活用し、リレーコopérationを活用することでスペクトル効率が向上することを示した。

ABSTRACT

In this paper, we study a communication system consisting of three end-nodes, e.g. a single transceiver base station (BS), one transmitting and one receiving user equipments (UEs), and a common two-way relay node (RN) wherein the full-duplex BS transmits to the receiving UE in downlink direction and receives from the transmitting UE in uplink direction with the help of the intermediate full-duplex RN. We call this system model as interference two-way relay channel (ITWRC) with three end-nodes. Information theoretic bounds corresponding this system model are derived and analyzed so as to better understand the potentials of exploiting RN in future communication systems. Specifically, achievable rate regions corresponding to decode-and-forward (DF) relaying with and without rate splitting, and partial-DF and compress-and-forward (pDF+CF) relaying strategies are derived.

研究の動機と目的

• 全二重モードの基地局（BS）が、上行リンクおよび下行リンク方向に同時に2台のユーザー機器（UE）と通信する3端末ノードを有する新しい干渉型双方向リレーチャネル（ITWRC）をモデル化・分析すること。
• 共周波数の上行リンク伝送に起因する干渉が、BSにおいてどのように処理され、さらにはサイド情報として活用可能かどうかを検討し、システムレートの向上を図ること。
• 本研究が想定するハイブリッド干渉および双方向リレーシナリオに特化した、情報理論的限界および可達レート領域を導出すること。
• 本システムモデルにおいて、レートスプリット有無ありのデコード・アンド・フォワード（DF）方式および部分的DF＋圧縮・アンド・フォワード（pDF+CF）リレーシステムの性能向上を評価すること。

提案手法

• 全二重モードのBS、上行リンクUE、下行リンクUEを有する3端末ノードの離散的記憶なしITWRCモデルを提案。全二重モードのリレーノード（RN）を介して接続。
• 送信UEにおけるレートスプリット有無ありのデコード・アンド・フォワード（DF）リレーシステムを用い、共同デコーディングおよびビニング技術を活用して可達レート領域を導出。
• 部分的DFと圧縮・アンド・フォワード（pDF+CF）を組み合わせたハイブリッドリレーシステムを導入。RNは受信信号の圧縮版をフォワードし、一部のメッセージをデコードする。
• スーパーポジション・コーディング、ビニング、および共同典型性デコーディングを用いたブロック・マークォブ・符号化方式を採用し、リレーチャネル上での信頼性の高い通信を実現。
• 比較のため、理論的限界を確立するためのカットセット外境界を適用。
• BSおよび受信UEにおける典型性に基づくデコーディングを実施。リレーよりのサイド情報および既知の送信信号を用いて干渉をキャンセル。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共周波数の上行リンク伝送に起因する干渉は、上行リンクおよび下行リンクの同時通信が可能な全二重リレーヘッド付きセルラーシステムで、どのように効果的に管理できるか？
• RQ2 提案されたITWRCモデルにおける、レートスプリット有無ありのデコード・アンド・フォワード（DF）リレーシステムの可達レート領域は何か？
• RQ3 部分的DFおよび圧縮・アンド・フォワード（pDF+CF）リレーシステムは、従来のDF方式に比べ、干渉が強いリレーシステム環境下でより高いスペクトル効率を達成できるか？
• RQ4 基地局は、自らの送信信号をサイド情報としてどのように活用し、受信側のデコーディング性能を向上できるか？

主な発見

• 本稿では、レートスプリットありのデコード・アンド・フォワード（DF）リレーシステムの可達レート領域を導出し、上行リンクメッセージを共通部とプライベート部に分割することで、リレーや受信機における干渉キャンセリングの効率が向上し、スペクトル効率が向上することを示した。
• レートスプリットなしのDF方式の可達レート領域についても導出され、比較のためのベースラインを提供。特に高干渉環境下では、レートスプリットが顕著なレート向上をもたらすことが明らかになった。
• ハイブリッドpDF+CF戦略は、リレーがすべてのメッセージを信頼性を持ってデコードできない場合に、部分的デコードと受信信号の圧縮を組み合わせることで、純粋なDF方式よりも大きなレート領域を達成した。
• カットセット外境界が導出され、最大可達和レートの理論的限界が示され、提案されたリレーシステム戦略の性能を検証するのに役立った。
• 解析により、基地局が自らの送信信号をサイド情報として活用でき、受信側での干渉キャンセリングがより効果的に行えることが判明。これにより、可達下行リンクレートが向上した。
• 数値結果（レート領域の導出および比較に基づく）により、特にpDF+CFおよびレートスプリットありのDF方式が、干渉制限環境下で従来方式に比べ和レートおよびスペクトル効率の面で優れた性能を示すことが示された。