[論文レビュー] Network Coding with Two-Way Relaying: Achievable Rate Regions and Diversity-Multiplexing Tradeoffs

Chun‐Hung Liu, Feng Xue+1 more|ArXiv.org|Feb 13, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、双方向リレーネットワークにおけるネットワーク符号化を分析し、時分割マルチホップ（TDMH）、MAC層ネットワーク符号化（MLNC）、物理層ネットワーク符号化（PLNC）を比較する。PLNCが最大のレート領域と最適な分散多重度トレードオフを達成することを示しており、レートがシャノン容量領域内にある場合、ポisson到着下での機会的スケジューリングによりシステムが安定化することを示している。

ABSTRACT

This paper addresses the fundamental characteristics of information exchange via multihop network coding over two-way relaying in a wireless ad hoc network. The end-to-end rate regions achieved by time-division multihop (TDMH), MAC-layer network coding (MLNC) and PHY-layer network coding (PLNC) are first characterized. It is shown that MLNC does not always achieve better rates than TDMH, time sharing between TDMH and MLNC is able to achieve a larger rate region, and PLNC dominates the rate regions achieved by TDMH and MLNC. An opportunistic scheduling algorithm for MLNC and PLNC is then proposed to stabilize the two-way relaying system for Poisson arrivals whenever the rate pair is within the Shannon rate regions of MLNC and PLNC. To understand the two-way transmission limits of multihop network coding, the sum-rate optimization with or without certain traffic pattern and the end-to-end diversity-multiplexing tradeoffs (DMTs) of two-way transmission over multiple relay nodes are also analyzed.

研究の動機と目的

• 二方向リレーネットワークにおけるTDMH、MLNC、PLNCのエンドツーエンド可能なレート領域を特徴付けること。
• 変化するトラフィックパターンとリレーカンfigレーション下での和レート最適化を分析すること。
• マルチホップ二方向リレーリングにおけるMLNCおよびPLNCの分散多重度トレードオフ（DMT）を導出すること。
• レートがシャノン容量限界内にある場合に、ポisson到着下でシステムを安定化する機会的スケジューリングアルゴリズムを設計すること。
• チャネル非対称性および fading 条件下でのPLNCのMLNCおよびTDMHに対する性能向上を評価すること。

提案手法

• シャノン容量境界と信号対インターフェアレンスプラスノイズ比（SINR）解析を用いて、TDMH、MLNC、PLNCの可能なレート領域を導出する。
• チャネル状態情報に基づいて送信モードを選択する機会的スケジューリング方式を提案し、ポisson到着下での二方向リレーリングの安定化を実現する。
• アウトージ確率と分散利得を分析するための指数型ランダムベクトルモデルを用い、SNRが増加する際の漸近的解析を行う。
• 確率的幾何学と極値理論を用いて、複数の独立したチャネルゲインおよびその比の最大値をモデル化する。
• i.i.d. 指数型確率変数の積と比を含む数学的枠組みを用いて、低レートイベントの確率を上限付ける。
• 指数型尾部近似とモーメント生成関数を用いて漸近的アウトージバウンドを導出し、分散順序を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MLNCは、二方向リレーネットワークにおいて、常にTDMHよりエンドツーエンドスループットが優れているのか？
• RQ2 TDMHとMLNCの時間共有は、単独で使用する場合よりも大きなレート領域を達成できるか？
• RQ3 PLNCは、可能なレート領域および分散多重度トレードオフの観点で、TDMHおよびMLNCを上回るのか？
• RQ4 ポisson到着下で二方向リレーリングを安定化する最適なスケジューリング戦略は何か？
• RQ5 複数のリレーユーザーを有するマルチホップ二方向リレーネットワークにおけるMLNCおよびPLNCの分散多重度トレードオフ（DMT）は何か？

主な発見

• PLNCは最大の可能なレート領域を達成し、特に非対称チャネル条件下でTDMHおよびMLNCを上回る。
• TDMHとMLNCの時間共有は、単独で使用する場合よりも、可能なレート領域を拡大する。
• 機会的スケジューリングアルゴリズムにより、レートペアがPLNCまたはMLNCのシャノンレート領域内にある限り、ポisson到着下での二方向リレーリングシステムが安定化する。
• PLNCの分散多重度トレードオフ（DMT）はMLNCを上回り、同じ多重度ゲイン下でより高い分散利得を達成する。
• 漸近的アウトージ確率バウンドは、PLNCがMLNCよりも高い分散順序を維持することを示しており、アウトージ確率はγ^(-|T|(θ∞ + mβ⁺max))（PLNC）およびγ^(-|T|(θ∞ + m(β⁺max − αmax)))（MLNC）のスケーリングを示す。
• 解析により、チャネルフェージングおよび非対称性が性能に顕著な影響を及ぼすことが確認され、PLNCはすべてのフェージング条件下でも高いスループットと信頼性を維持する。