[論文レビュー] Network Coded Rate Scheduling for Two-way Relay Networks

Dong Min Kim, Seong-Lyun Kim|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2013

Cooperative Communication and Network Coding被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、チャネル状態情報を利用し、ネットワーク符号化を優先することで、エンドツーエンドの伝送時間（タイムスパン）を最小化するネットワーク符号化レートスケジューリング方式を提案する。定常および有限状態のチャネルに対しては閉形式スケジューラを導出する。レイリー fading チャネルに対しては、ウォーター・フィリングに類似したヒューリスティックなパワー割り当てを提案する。主な結果として、オポチュニスティックな一方通行転送よりもネットワーク符号化の機会を最大化することが、特に低出力バジェット下で時間スパンを最小化することができ、エネルギー効率が向上することが示された。

ABSTRACT

We investigate a scheduling scheme incorporating network coding and channel varying information for the two-way relay networks. Our scheduler aims at minimizing the time span needed to send all the data of each source of the network. We consider three channel models, time invariant channels, time varying channels with finite states and time varying Rayleigh fading channels. We formulate the problem into a manageable optimization problem, and get a closed form scheduler under time invariant channels and time varying channel with finite channel states. For Rayleigh fading channels, we focus on the relay node operation and propose heuristic power allocation algorithm resemblant to water filling algorithm. By simulations, we find that even if the channel fluctuates randomly, the average time span is minimized when the relay node transmits/schedules network coded data as much as possible.

研究の動機と目的

• 二方向リレーネットワークにおいて、ネットワーク符号化とチャネル状態情報の統合により、両ソースからのすべてのデータを送信するために必要な合計時間（タイムスパン）を最小化すること。
• 時間に依存しない、有限状態、およびレイリー fading チャネルを含む動的チャネル状態を考慮したスケジューリング設計の課題に対処すること。
• 不完全なチャネル知識下でも、ネットワーク符号化の機会を最大化することが、オポチュニスティックな一方通行転送よりも優れたタイムスパン性能をもたらすことを実証すること。
• バッファが満杯であるという現実的でない仮定を避ける、実用的なスケジューリングフレームワークを提供すること。

提案手法

• 時間に依存しない、有限状態マルコフ、レイリー fading の3つのチャネルモデルを想定し、タイムスパン最小化問題を最適化問題として定式化する。
• 特定のチャネル状態下で動作すると仮定することで、時間に依存しないおよび有限状態のチャネルに対して閉形式スケジューラを導出する。
• レイリー fading チャネルに対しては、ウォーター・フィリングにインspiredされたヒューリスティックなパワー割り当てアルゴリズムを提案し、ネットワーク符号化伝送を優先する。
• リレーノードで両バッファが空でない場合に、XOR演算により両ソースからのデータを結合することで、ネットワーク符号化を統合する。
• 因果的および非因果的チャネル状態情報（CSI）をシミュレーションで用い、異なるレベルのチャネル知識下での性能を比較する。
• 平均タイムスパンを指標として用い、さまざまなデータ比率および出力バジェット下で、ネットワーク符号化と一方通行転送の性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二方向リレーネットワークにおいて、ネットワーク符号化とチャネル状態情報がどのように統合され、タイムスパンを最小化できるか。
• RQ2 時間に依存しないおよび有限状態の時変動チャネル下での最適スケジューリング方策は何か。また、その方策は閉形式で表現可能か。
• RQ3 レイリー fading チャネル下で、特にチャネル知識が制限された状況において、ネットワーク符号化の性能は一方通行転送と比べてどうなるか。
• RQ4 各時隙ごとの瞬間的スループットを最大化するのではなく、ネットワーク符号化の機会を最大化することが、タイムスパン性能を向上させるか。
• RQ5 データの非対称性（異なるソースのデータサイズ）は、スケジューリング性能およびバッファ管理にどのような影響を及ぼすか。

主な発見

• ネットワーク符号化は、特に低出力バジェット下で、一方通行転送と比較して平均タイムスパンを顕著に短縮する。-10 dBmの出力バジェット下で、2.2スロットの性能差が観察された。
• 出力バジェットが増加するに従い、現在のチャネル状態のみを用いる因果的ネットワーク符号化の性能は、将来のチャネル状態を知ることができる非因果的ネットワーク符号化とほぼ同等に近づく。これは、チャネル不確実性に対しても堅牢であることを示している。
• ネットワーク符号化と一方通行転送の間でオポチュニスティックに選択する戦略は、純粋なネットワーク符号化よりも性能が劣る。これは、バッファの非対称性が符号化の機会を減少させるためである。
• ネットワーク符号化優先戦略は、あらゆるデータ比率において、オポチュニスティック戦略を常に上回る性能を示した。これは、符号化機会を最大化することが、各時隙のスループットを最大化することよりも効果的であることを確認している。
• ランダムなレイリー fading 条件下でも、リレ一が可能な限りネットワーク符号化データを送信することで平均タイムスパンが最小化される。これは、符号化の活用度の重要性を強調している。