[論文レビュー] Multi-hop Cooperative Wireless Networks: Diversity Multiplexing Tradeoff and Optimal Code Design

K. Sreeram, S. Birenjith+1 more|ArXiv.org|Feb 13, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 37被引用数 23

ひとこと要約

本稿は、半二重リレーを用いる多ホップ協調無線ネットワーク（K-Parallel-Path (KPP) および階層型ネットワークを含む）における多様性-多重度トレードオフ（DMT）を確立する。短時間ブロック長の符号を用いた増幅・転送（AF）プロトコルが最適な DMT を達成することを証明し、半二重制約がレート損失を引き起こさず、広範なネットワーククラスにおいて単純な AF 方式で十分に最適性能が達成できることを示している。

ABSTRACT

We consider single-source single-sink (ss-ss) multi-hop networks, with slow-fading links and single-antenna half-duplex relays. We identify two families of networks that are multi-hop generalizations of the well-studied two-hop network: K-Parallel-Path (KPP) networks and layered networks. KPP networks can be viewed as the union of K node-disjoint parallel relaying paths, each of length greater than one. KPP networks are then generalized to KPP(I) networks, which permit interference between paths and to KPP(D) networks, which possess a direct link from source to sink. We characterize the DMT of these families of networks completely for K > 3. Layered networks are networks comprising of relaying layers with edges existing only within the same layer or between adjacent layers. We prove that a linear DMT between the maximum diversity d_{max} and the maximum multiplexing gain of 1 is achievable for fully-connected layered networks. This is shown to be equal to the optimal DMT if the number of layers is less than 4. For multi-antenna KPP and layered networks, we provide an achievable DMT region. For arbitrary ss-ss single-antenna directed-acyclic full-duplex networks, we prove that a linear tradeoff between maximum diversity and maximum multiplexing gain is achievable. All protocols in this paper are explicit and use only amplify and forward (AF) relaying. We also construct codes with short block-lengths based on cyclic division algebras 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 networks and that simple AF protocols are often sufficient to attain the optimal DMT.

研究の動機と目的

• 半二重リレーを備えた多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）を同定すること。
• DMT が完全に同定可能なネットワーククラス（KPP および階層型ネットワーク）を特定すること。
• 増幅・転送（AF）リレーを用いて、明示的かつ低複雑性のプロトコルを設計し、最適 DMT を達成すること。
• レイノールズフェージング MIMO チャネル向けに設計された完全多様性符号が、これらのネットワークにおける任意のフェージング分布に普遍的に適用可能であることを示すこと。
• 半二重制約が、広範な協調ネットワークにおいてレート損失を引き起こさないことを示すこと。

提案手法

• 著者は2つのネットワークモデルを定義する：K 個の非干渉多ホップ経路からなる K-Parallel-Path (KPP) ネットワーク、および隣接するレイヤーに配置されたリレーデバイスを持つ階層型ネットワーク。
• KPP ネットワークおよび階層型ネットワークの DMT を導出し、完全接続された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 が達成可能であることを証明する。
• 逐次干渉キャンセレーション（SIC）デコーディング戦略を用いて、干渉キャンセレーション付きのブロック単位デコーディングが最適 DMT を達成できることを示す。
• 巡回除法代数（CDA）を用いて短時間ブロック長の符号を構築し、提案されたすべてのプロトコルで最適 DMT を達成できることを示す。
• 完全多様性をレイノールズフェージング MIMO チャネルで達成する符号が、近似的普遍性の概念を用いて任意のフェージングチャネルでも完全多様性を達成できることを証明する。
• 任意の単一ソース・単一シンクネットワークにおいて、最大達成可能な多様性は、リレーが全二重または半二重であっても、ソースとシンク間の最小カットに等しいことを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半二重リレーを備えた多ホップ協調ネットワークにおける最適多様性-多重度トレードオフ（DMT）は何か？
• RQ2 増幅・転送（AF）プロトコルは、KPP および階層型ネットワークで最適 DMT を達成できるか？
• RQ3 半二重制約は協調ネットワークにおいて根本的なレート損失を引き起こすか？
• RQ4 レイノールズフェージング MIMO チャネル向けに設計された完全多様性符号は、協調ネットワークにおける任意のフェージングチャネルに普遍的に適用可能か？
• RQ5 任意の協調ネットワークにおけるソースとシンク間の最小カットは、多様性の根本的限界か？

主な発見

• K > 3 の KPP ネットワークでは、最適 DMT は d_K(r) = K(1 - r)+ であり、完全に同定可能である。
• 4 レイヤー未満のリレーレイヤーを有する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 が達成可能かつ最適である。
• 短時間ブロック長の巡回除法代数（CDA）に基づく符号の使用により、すべての提案プロトコルで最適 DMT が達成される。
• 半二重制約が、広範な協調ネットワークにおいてレート損失を引き起こさないことは、半二重動作下でも最適 DMT が達成可能であることで示された。
• レイノールズフェージング MIMO チャネルで完全多様性を達成するすべての符号が、近似的普遍性の性質により、任意のフェージングチャネルでも完全多様性を達成する。
• 任意の単一ソース・単一シンクの有向非巡回グラフネットワークにおいて、最大達成可能な多様性は、リレーが全二重または半二重であっても、ソースとシンク間の最小カットに等しい。