[論文レビュー] Optimal Amplify-and-Forward Schemes for Relay Channels with Correlated Relay Noise

Binyue Liu, Ye Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2013

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、相関するリレーノイズを伴う1方向および2方向リレーチャネルにおける増幅・再放送（AF）リレースキームを最適化する統一的な2次錐計画法（SOCP）ベースのフレームワークを提案する。先行研究ではしばしば無視されがちな状況であるが、本稿ではノイズ相関がノイズ共分散行列の完全な知識がなくても平均的に有益であることを示し、個々のリレーパワー制約下でほぼ最適な閉形式の部分最適スキームを導出する。

ABSTRACT

This paper investigates amplify-and-forward (AF) schemes for both one and two-way relay channels. Unlike most existing works assuming independent noise at the relays, we consider a more general scenario with correlated relay noise. We first propose an approach to efficiently solve a class of quadratically constrained fractional problems via second-order cone programming (SOCP). Then it is shown that the AF relay optimization problems studied in this paper can be incorporated into such quadratically constrained fractional problems. As a consequence, the proposed approach can be used as a unified framework to solve the optimal AF rate for the one-way relay channel and the optimal AF rate region for the two-way relay channel under both sum and individual relay power constraints. In particular, for one-way relay channel under individual relay power constraints, we propose two suboptimal AF schemes in closed-form. It is shown that they are approximately optimal in certain conditions of interest. Furthermore, we find an interesting result that, on average, noise correlation is beneficial no matter the relays know the noise covariance matrix or not for such scenario. Overall, the obtained results recover and generalize several existing results for the uncorrelated counterpart. (unsubmitted)

研究の動機と目的

• 相関するリレーノイズ下でのAFリレーチャネルの最適化フレームワークの欠如に応えるため、標準的な独立ノイズ仮定よりも現実的であるモデルを提示すること。
• 合計および個々のリレーパワー制約下で、1方向および2方向リレーチャネルの両方を統一的に扱うソリューションを開発すること。
• リレーやノイズ共分散行列の完全な知識がない状況において、ノイズ相関が実現可能レートに与える影響を分析すること。
• 個々のリレーパワー制約下で、ほぼ最適な閉形式の部分最適AFスキームを導出すること。

提案手法

• AFリレーオプティマイゼーション問題を二次的制約分数プログラム（QCFP）として定式化し、その後2次錐計画法（SOCP）を用いて解く。
• SOCPを用いて、リレー速率最大化に伴う非凸な分数的問題のクラスを効率的に解く。
• SOCPフレームワークを相関ノイズを伴う1方向および2方向リレーチャネルモデルに統合する。
• 個々のリレーパワー制約下で、1方向リレーチャネルに適した2つの閉形式の部分最適AFスキームを導出する。
• 信号対ノイズ比およびノイズ相関の変動に応じたこれらのスキームの性能を分析する。
• ノイズ共分散行列の完全な知識がある・ない状況において、ノイズ相関が確立的レートに与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関するリレーノイズが存在する状況で、AFリレーオプティマイゼーションを効率的に定式化・解く方法は何か？
• RQ2 1方向および2方向リレーチャネルにおけるノイズ相関が実現可能レートに与える影響は何か？
• RQ3 個々のリレーパワー制約下で、ほぼ最適な閉形式の部分最適AFスキームを導出できるか？
• RQ4 リレーやノイズ共分散構造の完全な知識がない状況でも、ノイズ相関がシステム性能に有益であるか？
• RQ5 提案されたSOCPベースのフレームワークは、非相関ノイズ状況の既存結果をどのように一般化するか？

主な発見

• 提案されたSOCPベースのフレームワークは、さまざまなパワーモード制約下で、1方向および2方向リレーチャネルにおけるAFレート最適化の統一的ソリューションを提供する。
• ノイズ共分散行列の知識がなくても、1方向リレーチャネルにおいてノイズ相関が平均的に有益であることが示された。
• 提案された2つの閉形式の部分最適AFスキームは、高SNR領域において個々のリレーパワー制約下でほぼ最適な性能を達成する。
• フレームワークは、非相関ノイズの既存結果を特別なケースとして一般化・再現する。
• 最適化問題はQCQPに再定式化され、SOCPにより効率的に解かれるため、実装が可能である。