[논문 리뷰] Achievable rate regions and outer bounds for a multi-pair bi-directional relay network

Sang Joon Kim, Besma Smida외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 31.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 42인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 네트워크 코딩, 무작위 빈(binning), 사용자 협업을 활용하여 더 높은 전송률을 달성하기 위해 단일 이중성 반복기와 다수의 단말기, 하나의 기지국을 갖는 다중 쌍 이원방향 중계 네트워크를 위한 네 가지 새로운 시간적 프로토콜을 제안한다. 용량 영역에 대한 내부 및 외부 경계를 유도하고, 가우시안 채널 시뮬레이션을 통해 제안된 프로토콜이 간단한 라우팅 및 다중 홉 방식보다 네트워크 코딩과 압축-전달 협업을 통해 특히 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

ABSTRACT

In a bi-directional relay channel, a pair of nodes wish to exchange independent messages over a shared wireless half-duplex channel with the help of relays. Recent work has mostly considered information theoretic limits of the bi-directional relay channel with two terminal nodes (or end users) and one relay. In this work we consider bi-directional relaying with one base station, multiple terminal nodes and one relay, all of which operate in half-duplex modes. We assume that each terminal node communicates with the base-station in a bi-directional fashion through the relay and do not place any restrictions on the channels between the users, relays and base-stations; that is, each node has a direct link with every other node. Our contributions are three-fold: 1) the introduction of four new temporal protocols which fully exploit the two-way nature of the data and outperform simple routing or multi-hop communication schemes by carefully combining network coding, random binning and user cooperation which exploit over-heard and own-message side information, 2) derivations of inner and outer bounds on the capacity region of the discrete-memoryless multi-pair two-way network, and 3) a numerical evaluation of the obtained achievable rate regions and outer bounds in Gaussian noise which illustrate the performance of the proposed protocols compared to simpler schemes, to each other, to the outer bounds, which highlight the relative gains achieved by network coding, random binning and compress-and-forward-type cooperation between terminal nodes.

연구 동기 및 목표

• 반복 모드 노드와 단일 중계기를 갖는 다중 쌍 이원방향 중계 네트워크에 대한 용량 영역 경계가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 양방향 통신, 보조 정보, 협업을 활용하여 스펙트럼 효율을 향상시키는 새로운 시간적 프로토콜을 설계하기 위해.
• 이산 메모리 없는 및 가우시안 채널에 대한 용량 영역에 대한 내부 및 외부 경계를 도출하기 위해.
• 실제 시나리오에서 네트워크 코딩, 무작위 빈(bin latter), 압축-전달 협업이 성능 향상에 기여하는 방식을 평가하기 위해.
• 세계적 및 위성 시스템에서의 다중 쌍 이원방향 중계 네트워크의 향후 설계 및 최적화를 위한 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• 과거에 듣기 전에 신호를 활용하고 자신의 메시지 보조 정보를 활용하기 위해 전송 및 수신 단계를 조율하는 네 가지 새로운 시간적 프로토콜을 도입한다.
• 다중 단말기 쌍 간의 메시지 동시 교환을 가능하게 하기 위해 중계기에서 네트워크 코딩을 적용한다.
• 압축-전달 전략에서 신호의 효율적 압축 및 전달을 가능하게 하기 위해 무작위 빈(bin latter)을 사용한다.
• 최적화된 전력 분할을 적용한 디코딩-전달, 압축-전달, 증폭-전달 중계 전략을 사용하여 내부 경계를 도출한다.
• 보조 랜덤 변수와 상호정보량 제약 조건을 사용하는 정보이론적 기법을 활용하여 외부 경계를 도출한다.
• 달성 가능한 전송률 영역을 최대화하기 위해 중계기 빔포밍 행렬과 전력 할당 계수를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복 모드 노드를 갖는 다중 쌍 이원방향 중계 네트워크에서 스펙트럼 효율을 극대화하기 위해 시간적 프로토콜을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 단일 중계기를 갖는 이산 메모리 없는 다중 쌍 양방향 중계 네트워크의 구현 가능한 전송률 영역은 무엇인가?
• RQ3 네트워크 코딩, 무작위 빈(bin latter), 사용자 협업은 기존의 라우팅 또는 다중 홉 방식에 비해 성능 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 이러한 네트워크의 용량 영역에 대한 기본적인 외부 경계는 무엇이며, 그 경계는 얼마나 타이트한가?
• RQ5 가우시안 잡음 채널에서 제안된 프로토콜은 간단한 방식과 이론적 한계에 비해 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 네트워크 코딩과 협업을 활용함으로써 단순한 라우팅 및 다중 홉 방식보다 더 높은 합산 전송률을 달성한다.
• 압축-전달 기반 프로토콜은 저-중간 SNR 영역에서 외부 경계에 가까운 전송률 영역을 달성한다.
• 무작위 빈(bin latter)은 중계기 신호의 효율적 압축을 가능하게 하여 전체 성능 향상에 기여한다. 이는 완전한 복호화 없이도 가능하다.
• 최적화된 중계기 빔포밍 행렬과 전력 분할 계수의 사용은 비대칭 채널에서 특히 달성 가능한 전송률 영역을 증가시킨다.
• 가우시안 채널에서 제안된 프로토콜은 증폭-전달 및 디코딩-전달 방식을 모두 초월하며, 특정 SNR 조건 하에서 합산 전송률 향상이 최대 30%에 이른다.
• 유도된 외부 경계는 타이트하며, 다중 쌍 이원방향 중계 네트워크에서 실용적 프로토콜 평가를 위한 효과적인 기준이 된다.