[論文レビュー] MIMO Two-way Relay Channel: Diversity-Multiplexing Tradeoff Analysis

Denız Gündüz, Andrea Goldsmith+1 more|ArXiv.org|Dec 18, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 17被引用数 46

ひとこと要約

本稿は、送信機に瞬時のチャネル状態情報（CSI）を必要とせず、最適なDiversity-Multiplexing Tradeoff（DMT）を達成する可逆圧縮・フォワーディング（CF）リレーポリシーを提案する。この戦略により、干渉が存在するにもかかわらず、双方向通信の両方で同時に最適な性能が達成可能であり、半二重モードの多ホップMIMOリレーチャネルに対しても動的可逆圧縮・フォワーディングプロトコルに拡張可能で、最適なDMT性能を達成する。

ABSTRACT

A multi-hop two-way relay channel is considered in which all the terminals are equipped with multiple antennas. Assuming independent quasi-static Rayleigh fading channels and channel state information available at the receivers, we characterize the optimal diversity-multiplexing gain tradeoff (DMT) curve for a full-duplex relay terminal. It is shown that the optimal DMT can be achieved by a compress-and-forward type relaying strategy in which the relay quantizes its received signal and transmits the corresponding channel codeword. It is noteworthy that, with this transmission protocol, the two transmissions in opposite directions can achieve their respective single user optimal DMT performances simultaneously, despite the interference they cause to each other. Motivated by the optimality of this scheme in the case of the two-way relay channel, a novel dynamic compress-and-forward (DCF) protocol is proposed for the one-way multi-hop MIMO relay channel for a half-duplex relay terminal, and this scheme is shown to achieve the optimal DMT performance.

研究の動機と目的

• フルデュプレックスリレーリングを伴うMIMO二方向リレーチャネルにおける最適な分散多重度トレードオフ（DMT）を同定すること。
• 直接的なユーザー間リンクが存在しない双方向マルチアンテナシステムにおける協調リレーリングの性能限界を分析すること。
• 送信機に瞬時のチャネル状態情報（CSI）に依存しない最適なDMTを達成する送信プロトコルを開発すること。
• CFに基づく戦略を半二重モードの多ホップMIMOリレーチャネルに拡張し、そのDMT最適性を証明すること。

提案手法

• リレ一が受信信号を量子化し、ジョイントソースチャネル符号化を用いて量子化されたバージョンをフォワードする可逆圧縮・フォワーディング（CF）リレーポリシーを提案する。
• リレーのフォワーディングを、受信機に自らの送信信号（サイド情報）が利用可能な損失ありジョイントソースチャネル符号化問題としてモデル化する。
• レイノルズフェージング下でのアウトージ確率とDMT性能を解析するため、指数的等価表記（例：$ f(SNR) \dot{=} SNR^c $）を用いる。
• 固有値に基づくチャネル分解とアウトージ確率の上限を用いて、CFプロトコルの実現可能なDMTを導出する。
• リレーのリスニング時間と送信時間の適応的最適化を実現する、動的可逆圧縮・フォワーディング（DCF）プロトコルを導入する。
• 提案手法の実現可能なDMTを先行研究から導出された外側境界と比較し、提案手法の最適性を証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可逆圧縮・フォワーディング（CF）リレーポリシーは、フルデュプレックスリレーリングを伴うMIMO二方向リレーチャネルで最適な分散多重度トレードオフ（DMT）を達成できるか？
• RQ2 送信時刻に瞬時のチャネル状態情報（CSI）が得られない状況下でも、CFプロトコルは最適なDMT性能を維持できるか？
• RQ3 CFに基づく戦略は、最適なDMTを保ちながら、半二重モードの多ホップMIMOリレーチャネルに拡張可能か？
• RQ4 二方向リレーチャネル設定下で、デコード・アンド・フォワード（DF）リレーリングとCFのDMT性能はどのように比較されるか？
• RQ5 準静的レイノルズフェージング下でのMIMO二方向リレーチャネルにおける最適なアウトージ行動と対応するDMTは何か？

主な発見

• 可逆圧縮・フォワーディング（CF）リレーポリシーは、送信機に瞬時のチャネル状態情報（CSI）がなくても、フルデュプレックスリレーリングを伴うMIMO二方向リレーチャネルで最適なDMTを達成する。
• 相互干渉が存在するにもかかわらず、二方向通信は両方とも単一ユーザー最適DMTを同時に達成する。
• 提案されたCFプロトコルは、外側境界と同一のDMT性能を達成しており、フルデュプレックスケースにおける最適性が証明される。
• 半二重モードの多ホップMIMOリレーチャネルに向け、動的可逆圧縮・フォワーディング（DCF）プロトコルが提案され、最適なDMTを達成するが、最適なリレー受信時間やノイズ共分散選択を必要としない。
• CF方式のアウトージ確率は、[9]から導出された外側境界と一致し、指数的等価解析によりDMT最適性が確認される。
• DMT性能は、チャネル行列の固有値の上での$(1 - \alpha_{i,j})^+$の和として特徴づけられ、フェージング行動と分散利得の関係が明確に結びつけられる。