[論文レビュー] Power Adaptive Network Coding for a Non-Orthogonal Multiple-Access Relay Channel

Sha Wei, Jun Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2020

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 36被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、瞬時チャネル状態情報に基づいてリレータの送信電力を最適化することで、分岐増益を向上させるとともに、符号化誤り率（SPER）を低減する、非直交多重アクセスリレーチャネル（MARC）向けのパワーアダプティブネットワークコーディング（PANC）方式を提案する。従来のXORベースのネットワークコーディング（CXNC）は、マルチユーザー干渉のため1次分岐しか達成できないが、PANCは座標変換（CT）法を用いてSPERの導出を簡素化し、最大最小最適化により誤り確率を最小化することで、2次分岐を達成する。

ABSTRACT

In this paper we propose a novel power adapted network coding (PANC) for a non-orthogonal multiple-access relay channel (MARC), where two sources transmit their information simultaneously to the destination with the help of a relay. Different from the conventional XOR-based network coding (CXNC), the relay in our PANC generates network coded bits by considering the coefficients of the source-to-relay channels, and forwards each bit with a pre-optimized power level. Specifically, by defining a symbol pair as two symbols from the two sources, we first derive the exact symbol pair error rate (SPER) of the system. Noting that the generations of the exact SPER are complicated due to the irregularity of the decision regions caused by random channel coefficients, we propose a coordinate transform (CT) method to simplify the derivations of the SPER. Next, we prove that with a power scaling factor at relay, our PANC scheme can achieve full diversity gain, i.e., two-order diversity gain, of the system, while the CXNC can only achieve one-order diversity gain due to multi-user interference. In addition, we optimize the power levels at the relay to equivalently minimize the SPER at the destination concerning the relationship between SPER and minimum Euclidean distance of the received constellation. Simulation results show that (1) the SPER derived based on our CT method can well approximate the exact SPER with a much lower complexity; (2) the PANC scheme with power level optimizations and power scaling factor design can achieve full diversity, and obtain a much higher coding gain than the PANC scheme with randomly chosen power levels.

研究の動機と目的

• 従来のネットワークコーディング方式におけるマルチユーザー干渉による非直交多重アクセスリレーチャネル（MARC）の性能劣化を是正すること。
• 従来のXORベースのネットワークコーディング（CXNC）が干渉のため失敗する非直交MARCにおいて、完全な分岐増益（2次）を達成するネットワークコーディング戦略を設計すること。
• ランダムな fading による不規則な意思決定領域を伴うシステム性能を正確にモデル化する、閉形式の符号ペア誤り率（SPER）式を導出すること。
• 元の平行四辺形形状の信号星座を長方形に変換する座標変換（CT）法を導入することで、SPER導出の計算複雑度を低減すること。
• 符号間距離と誤り確率の関係に基づく最大最小基準を用いてリレーの電力割り当てを最適化し、SPERを低複雑度で最小化すること。

提案手法

• リレーがソース-リレー間チャネル係数を用いてネットワーク符号化ビットを生成し、各ビットを事前に最適化された2つの電力レベルのうちの1つで送信する、新規なパワーアダプティブネットワークコーディング（PANC）方式を導入する。
• 2つのソースからの2つの送信シンボルを1つのシンボルペアとして定義し、フェージングチャネルにおける不規則な意思決定領域に対して、ウェッジ確率計算を用いて正確なSPERを導出する。
• リレーにおける元の平行四辺形形状の信号星座を長方形形状に変換する座標変換（CT）法を提案し、ランダムなチャネル係数下でのSPER導出を簡素化する。
• 完全な分岐増益を達成するため、リレーに電力スケーリング因子を組み込み、理論的にPANCが選択された電力レベルにかかわらず2次分岐を達成することを証明する。
• 符号間距離と誤り確率の関係に基づく最大最小基準を用いて、リレーにおける最適な電力適応レベルを求める凸最適化問題を構築し、有効な信号星座の最小ユークリッド距離を最大化することでSPERを最小化する。
• モンテカルロシミュレーションを用いてSPER近似の妥当性を検証し、CXNC、ランダム電力割り当て、固定電力、ジェイニ・エイドベンチマークと性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチユーザー干渉のため従来のXORベースのネットワークコーディング（CXNC）が失敗する非直交MARCにおいて、ネットワークコーディング方式が完全な2次分岐増益を達成できるか。
• RQ2 ランダムなフェージングによって生じる不規則な意思決定領域を有する非直交MARCにおいて、符号ペア誤り率（SPER）を正確かつ効率的に導出する方法は何か。
• RQ3 座標変換（CT）法は、精度を保持しつつSPER導出の複雑度をどの程度低減できるか。
• RQ4 瞬時チャネル状態情報に基づくリレーでの電力適応は、顕著な符号化増益を達成し、低複雑度でジェイニ・エイド性能に近づけるか。
• RQ5 ソース-リレー路からの誤り伝搬がエンドツーエンドのSPERに与える影響は何か。また、リレーの位置とチャネル品質に応じてその影響はどのように変化するか。

主な発見

• 電力スケーリングを施した提案されたPANC方式は、非直交MARCにおいて完全な2次分岐増益を達成するが、従来のCXNCはマルチユーザー干渉のため1次分岐にとどまる。
• 座標変換（CT）法を用いて導出したSPERは、計算複雑度を顕著に低減しながら、正確なSPERに非常に近い近似値を達成する。特に、ランダムなチャネル係数下で顕著な利点を示す。
• 最大最小最適化に基づくリレーでの電力適応により、最高の符号化増益が達成され、ランダムまたは固定電力割り当て方式を上回る性能を示す。
• 高SNR（10 dB以上）において、CTベースの検出器のSPER性能は最適な最大尤度（ML）検出器と一致し、導出された閉形式SPER式の正確性を裏付ける。
• ソース-リレーチャネルが強い場合、PANC方式とジェイニ・エイドベンチマークとの性能差が最小となり、有利なチャネル条件下で誤り伝搬の影響が小さいことを示す。
• シミュレーション結果により、最適化された電力レベルを用いたPANC方式は、低複雑度でジェイニ・エイド性能に近い性能を達成し、提案された最大最小最適化およびCTベースのSPER導出の有効性が検証された。