[論文レビュー] Power Allocation in the High SNR Regime for A Multicast Cell with Regenerative Network Coding

Jun Li, Wen Chen|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2020

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 9被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、リレージェネレーティブ・ネットワーク・コーディング（RNC）を用いた2-1-2マルチキャスト無線ネットワークにおける最適および準最適なパワー割り当て方式を提案する。複素数フィールド（RCNC）とガロアフィールド（RGNC）ネットワークコーディングを比較する。高SNR領域では、統計的CSIに基づくパワー割り当てがフレーム誤り確率（SFEP）を最小化するが、瞬時のCSIを用いることで、統計的手法に比べてRCNCの性能を著しく向上させる準最適な方式が可能となる。

ABSTRACT

This letter focuses on power allocation schemes for a basic multicast cell with wireless regenerative network coding (RNC). In RNC, mixed signals received from the two sources are jointly decoded by the relay where decoded symbols are superposed in either the complex field (RCNC) or Galois field (RGNC) before being retransmitted. We deduce the optimal statistical channels state information (CSI) based power allocation and give a comparison between the two RNCs. When instantaneous CSI is available at each transmitter, we propose a suboptimal power allocation for RCNC, which achieves better performance.

研究の動機と目的

• リレージェネレーティブネットワークコーディング（RNC）の下で、2-1-2マルチキャスト無線ネットワークにおけるパワー割り当ての最適化により、システム性能を向上させること。
• 異なるパワー割り当て戦略の下で、複素数フィールド（RCNC）とガロアフィールド（RGNC）RNCプロトコルの性能を比較すること。
• 高SNR領域において、システムのフレーム誤り確率（SFEP）を最小化する統計的CSIに基づく最適なパワー割り当てを導出すること。
• RCNCにおける瞬時のCSIに基づく準最適なパワー割り当て方式を設計し、統計的手法に比べて性能を向上させること。
• 変調レート（2および4 BPCU）が最適なパワー割り当ておよびシステム誤り性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 受信機での統合最大尤度デコーディングの下で、RCNCおよびRGNCの両方におけるシステムフレーム誤り確率（SFEP）の式を導出する。
• チャネルゲインと変調レートに基づいて、送信元とリレーセンターパowerをバランスさせる統計的CSIに基づくパワー割り当て方式（定理1）を提案し、SFEPを最小化する。
• 瞬時のチャネル状態情報（CSI）を用いて、適応的にパワー割り当て係数を設定するRCNCのための準最適な瞬時のCSIに基づくパワー割り当てを導入（定理2）。
• SFEP近似式において統計的SNRの代わりに瞬時のSNRを用いることで、閉形式の準最適なパワー割り当てルールを導出する。
• RCNCで完全なダイバーシティゲインを達成するために、プレコーダー α = e^(3jπ/4) を適用し、復調信号のコherentなスーパーポジションを保証する。
• 10^6個のi.i.d.フレームを用いたモンテカルロシミュレーションにより、理論的SFEP予測の妥当性を検証し、さまざまな方式および変調レベル間での性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統計的CSIに基づくパワー割り当ては、リレージェネレーティブネットワークコーディングを用いた2-1-2マルチキャストネットワークにおけるフレーム誤り確率（SFEP）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 最適なパワー割り当て下で、RCNCとRGNCの間のSFEPにおける性能的トレードオフは何か？
• RQ3 瞬時のCSIに基づくパワー割り当ては、統計的CSIに基づく手法に比べて、RCNCのSFEPを著しく改善できるか？
• RQ4 変調レート（2 BPCU 対 4 BPCU）は、RCNCおよびRGNCの最適なパワー割り当て係数にどのように影響を与えるか？
• RQ5 誤り性能の観点から、RCNCがRGNCを上回る、あるいは逆にRGNCがRCNCを上回るようなチャネル状態はどのようなものか？

主な発見

• 理論的解析により、2 BPCUの場合、RCNCの最適な統計的CSIに基づくパワー割り当ては κ = 1/2、RGNCでは κ = 2/3 であることが示された。
• 4 BPCUの場合、最適なパワー割り当てはRCNCで κ = 2/3、RGNCで κ ≈ 0.76 であり、シミュレーションによりこれらの値がSFEPを最小化することが確認された。
• RCNCは κ < 2/3 の場合にRGNCを上回り、κ > 2/3 の場合にRGNCがRCNCを上回る。性能差は ΔP_sys = |2^R ρ^(-1) (2/κ - 1/τ)| で表される。
• 準最適な瞬時のCSIに基づくパワー割り当て（定理2）は、統計的CSIに基づく手法に比べて著しく低いSFEPを達成しており、特に高SNR領域で顕著である。
• シミュレーションにより、最適な統計的CSIに基づくパワー割り当てが、さまざまな変調レートにおいて最小SFEPを正確に予測できることを確認した。
• 本稿で提案されたRCNCにおける瞬時のCSIに基づく方式は、統計的CSIに基づく方式を著しく上回る性能を示し、リアルタイムのチャネル適応の価値を示している。