[論文レビュー] On Compress-Forward without Wyner-Ziv Binning for Relay Networks

Peng Zhong, Ahmad Abu Al Haija+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 20被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、リレーネットワークにおけるWyner-Zivのビニングを用いない新規な圧縮・フォワーディング方式を提案する。メッセージと圧縮インデックスの共同デコードを活用することで、レート制約を緩和する。ビニングを排除することで、マルチデスティナションネットワークにおけるより大きな実現可能レート領域を達成でき、ブロック境界効果を克服するためにはメッセージの繰り返しが不可欠である。本方式により、符号化・復号遅延を低減しつつ、ノイジィネットワークコーディングのレート領域を達成する。

ABSTRACT

Noisy network coding is recently proposed for the general multi-source network by Lim, Kim, El Gamal and Chung. This scheme builds on compress-forward (CF) relaying but involves three new ideas, namely no Wyner-Ziv binning, relaxed simultaneous decoding and message repetition. In this paper, using the two-way relay channel as the underlining example, we analyze the impact of each of these ideas on the achievable rate region of relay networks. First, CF without binning but with joint decoding of both the message and compression index can achieve a larger rate region than the original CF scheme for multi-destination relay networks. With binning and successive decoding, the compression rate at each relay is constrained by the weakest link from the relay to a destination; but without binning, this constraint is relaxed. Second, simultaneous decoding of all messages over all blocks without uniquely decoding the compression indices can remove the constraints on compression rate completely, but is still subject to the message block boundary effect. Third, message repetition is necessary to overcome this boundary effect and achieve the noisy network coding region for multi-source networks. The rate region is enlarged with increasing repetition times. We also apply CF without binning specifically to the one-way and two-way relay channels and analyze the rate regions in detail. For the one-way relay channel, it achieves the same rate as the original CF and noisy network coding but has only 1 block decoding delay. For the two-way relay channel, we derive the explicit channel conditions in the Gaussian and fading cases for CF without binning to achieve the same rate region or sum rate as noisy network coding. These analyses may be appealing to practical implementation because of the shorter encoding and decoding delay in CF without binning.

研究の動機と目的

• Wyner-Zivのビニングを排除した圧縮・フォワーディング方式がリレーネットワークにおける性能に与える影響を分析すること。
• マルチデスティナションネットワークにおける実現可能レート領域の拡大に、メッセージと圧縮インデックスの共同デコードがどのように寄与するかを調査すること。
• 復号処理における最後のブロックでの信号の不完全な利用に起因するブロック境界効果を特定し、その影響を解消する方法を検討すること。
• ノイジィネットワークコーディングのレート領域に到達するためのメッセージ繰り返しの必要性と役割を特定すること。
• ワンウェイおよびツーワイエイ・リレーチャネルにおける提案方式の性能を評価すること、特にガウス型および fading チャネルにおける性能を重点的に検討すること。

提案手法

• Wyner-Zivのビニングを用いない圧縮・フォワーディング方式を提案。リレーエージェントはビニングを行わず、圧縮信号を直接フォワードすることで、マルチデスティナションネットワークにおけるより大きなレート領域を実現する。
• 受信側でメッセージと圧縮インデックスを同時にデコードすることで、弱いリレーデスティナションリンクによって課せられる圧縮レート制約を緩和する。
• すべてのブロックにわたってすべてのメッセージを同時にデコードするが、圧縮インデックスを個別に復号しないことで、圧縮レートに対する制約を軽減する。
• 複数ブロックにわたるメッセージの繰り返しを導入することで、最後のブロックでの信号利用の不完全さに起因するブロック境界効果を緩和する。
• ガウス型およびfading ツーワイエイ・リレーチャネルにおいて、ビニングフリーの圧縮・フォワーディング方式がノイジィネットワークコーディングと同等のレート領域または和レートを達成するための明示的なチャネル条件を導出する。
• 情報理論的境界を用いて解析し、共同デコードとメッセージ繰り返しによる実現可能レートを導出。レート評価にはMeijer G関数を含む数学的表現を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチデスティナションリレーネットワークにおいて、Wyner-Zivのビニングを排除した場合、元の圧縮・フォワーディング方式と比較して実現可能レート領域にどのような影響を与えるか？
• RQ2 メッセージと圧縮インデックスの共同デコードが、リレーネットワークにおける圧縮レート制約の緩和に果たす役割は何か？
• RQ3 ブロックフェイジングリレーシステムにおいて、ブロック境界効果が性能に与える制限は何か。また、これを克服できるか？
• RQ4 マルチソースネットワークにおいて、ノイジィネットワークコーディングのレート領域に到達するために必要な最小のメッセージ繰り返し回数は何か？
• RQ5 ツーワイエイ・リレーチャネルにおいて、ビニングフリーの圧縮・フォワーディング方式が、ガウス型およびfading チャネルでノイジィネットワークコーディングと同等のレート領域または和レートを達成するためのチャネル条件は何か？

主な発見

• マルチデスティナションリレーネットワークにおいて、ビニングを排除し、メッセージと圧縮インデックスを共同デコードする圧縮・フォワーディング方式は、元の圧縮・フォワーディング方式よりもより大きな実現可能レート領域を達成する。これは、圧縮レート制約の緩和に起因する。
• 最後のブロックでの信号利用の不完全さに起因するブロック境界効果は、メッセージの繰り返しを行わない同時復号において性能を制限する。
• ブロック境界効果を克服するためにはメッセージの繰り返しが不可欠であり、繰り返し回数が増えるほど実現可能レート領域が拡大し、最終的にはノイジィネットワークコーディングのレート領域に到達する。
• ワンウェイリレーチャネルでは、提案方式は元の圧縮・フォワーディング方式およびノイジィネットワークコーディングと同等のレートを達成するが、復号遅延は1ブロック分にまで低減される。
• ツーワイエイリレーチャネルにおいては、ガウス型およびfading チャネルで、ビニングフリーの圧縮・フォワーディング方式がノイジィネットワークコーディングと同等のレート領域または和レートを達成するための明示的条件を導出できた。
• 共同デコードとメッセージ繰り返しの併用により、符号化・復号遅延を低減しつつノイジィネットワークコーディングのレート領域を達成可能となり、実用的実装に適した方式となる。