[논문 리뷰] Achievable rate regions for bi-directional relaying

Sang Joon Kim, Natasha Devroye외 2명|ArXiv.org|2008. 08. 07.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 17인용 수 55

한 줄 요약

이 논문은 앰플리파이-앤드-포워드, 디코딩-앤드-포워드, 컴프레스-앤드-포워드, 그리고 새로운 혼합 포워딩 전략을 포함한 총 여덟 가지 허프-디플렉스 양방향 릴레이 프로토콜(네 가지 신규 및 네 가지 기존)을 제안하고 분석한다. 가우시안 채널에서의 구현 가능한 비트 전달률 영역을 유도하며, 프로토콜 선택이 신호 대 잡음비(SNR)와 릴레이 기하학적 구조에 따라 결정되며, 특히 고 SNR 조건에서 이중 주기 MABC 프로토콜이 삼중 주기 TDBC 프로토콜보다 스펙트럼 효율성이 뛰어나 상대적으로 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

ABSTRACT

In a bi-directional relay channel, two nodes wish to exchange independent messages over a shared wireless half-duplex channel with the help of a relay. In this paper, we derive achievable rate regions for four new half-duplex protocols and compare these to four existing half-duplex protocols and outer bounds. In time, our protocols consist of either two or three phases. In the two phase protocols, both users simultaneously transmit during the first phase and the relay alone transmits during the second phase, while in the three phase protocol the two users sequentially transmit followed by a transmission from the relay. The relay may forward information in one of four manners; we outline existing Amplify and Forward (AF), Decode and Forward (DF) and Compress and Forward (CF) relaying schemes and introduce the novel Mixed Forward scheme. The latter is a combination of CF in one direction and DF in the other. We derive achievable rate regions for the CF and Mixed relaying schemes for the two and three phase protocols. In the last part of this work we provide a comprehensive treatment of 8 possible half-duplex bi-directional relaying protocols in Gaussian noise, obtaining their respective achievable rate regions, outer bounds, and their relative performance under different SNR and relay geometries.

연구 동기 및 목표

• 허프-디플렉스 제약 조건 하에서 양방향 릴레이 채널에 대해 스펙트럼 효율적인 전송 방식을 개발하기 위해.
• 구현 가능한 비트 전달률 영역 측면에서 네 가지 신규 및 네 가지 기존의 허프-디플렉스 릴레이 프로토콜의 성능을 비교하기 위해.
• 컴프레스-앤드-포워드 및 새로운 혼합 포워딩 릴레이 전략에 대한 구현 가능한 비트 전달률 영역을 유도하고 분석하기 위해.
• SNR와 릴레이 기하학적 구조가 프로토콜 성능에 미치는 영향을 평가하고 최적의 구성 조건을 규명하기 위해.
• 포괄적인 외부 경계를 제공하고, 이를 구현 가능한 비트 전달률과 비교하여 경계의 날카러움(tightness)을 평가하기 위해.

제안 방법

• 이중 주기 다중접속방송(MABC) 및 삼중 주기 시간분할방송(TDBC) 프로토콜을 포함한 두 가지 새로운 프로토콜을 제안한다.
• 혼합 포워딩 릴레이 전략을 도입하여 한 방향에서는 컴프레스-앤드-포워드, 다른 한 방향에서는 디코딩-앤드-포워드를 조합한다.
• 임의의 코드 설계 원리, 일반적인 집합 인코딩, 그리고 점근적 등비분포성(AEP)을 통한 오차 확률 경계를 이용하여 구현 가능한 비트 전달률 영역을 유도한다.
• 마르코프 보조정리와 카라테오도리의 정리를 적용하여 비트 전달률 영역의 특성을 유한 차원 집합으로 단순화한다.
• 채널 입력, 출력 및 보조 랜덤 변수를 포함한 상호정보량 표현식을 사용하여 오차 확률을 경계한다.
• 다양한 SNR 및 릴레이 기하학적 구조에서의 구현 가능한 비트 전달률과 외부 경계를 수치적으로 평가하여 프로토콜 간 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 SNR 영역에서 어떤 허프-디플렉스 양방향 릴레이 프로토콜이 가장 높은 스펙트럼 효율성을 달성하는가?
• RQ2 새로운 혼합 포워딩 릴레이 전략은 전통적인 앰플리파이-앤드-디코딩-앤드-포워드 및 컴프레스-앤드-포워드 전략과 비교해 어떤 성능을 보이는가?
• RQ3 릴레이 기하학적 구조는 이중 주기 프로토콜과 삼중 주기 프로토콜 간 상대적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 각 프로토콜에 대해 유도된 외부 경계는 구현 가능한 비트 전달률 영역에 비해 얼마나 날카로운가?
• RQ5 어떤 채널 조건에서 이중 주기 MABC 프로토콜이 삼중 주기 TDBC 프로토콜보다 우월한가?

주요 결과

• 고 SNR 조건에서 이중 주기 MABC 프로토콜은 주기 수가 적어 스펙트럼 효율성이 삼중 주기 TDBC 프로토콜보다 높다.
• 비대칭 채널 조건에서 혼합 포워딩 릴레이 전략은 순수한 컴프레스-앤드-포워드 또는 디코딩-앤드-포워드보다 높은 전달률을 달성한다.
• MABC 프로토콜에서 컴프레스-앤드-포워드의 구현 가능한 비트 전달률 영역은 공동 일반성과 보조 랜덤 변수를 이용하여 유도되었으며, 오차 확률은 AEP를 통해 경계되었다.
• 측면 정보가 있는 프로토콜(예: TDBC)은 측면 정보가 없는 프로토콜(예: MABC)보다 저 SNR 조건에서 더 날카로운 외부 경계를 보이며, 특히 저 SNR에서 두드러진다.
• 성능 비교 결과, 프로토콜 선택은 SNR와 릴레이 기하학적 구조에 매우 의존적이며, 모든 시나리오에서 한 가지 프로토콜이 우월한 것은 아니다.
• 카라테오도리의 정리를 통해 유한한 보조 알파벳 크기(|Q| ≤ 6)를 적용함으로써 비트 전달률 영역의 특성화가 계산적으로 구현 가능해진다.