[논문 리뷰] MIMO Two-way Relay Channel: Diversity-Multiplexing Tradeoff Analysis

Denız Gündüz, Andrea Goldsmith외 1명|ArXiv.org|2008. 12. 18.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 17인용 수 46

한 줄 요약

이 논문은 전체 이중성 중계 채널에서 다이버시티-멀티플렉싱 트레이드오프(DMT)를 분석하며, 전송기에서 순간 채널 상태 정보(CSI)가 필요 없이 최적의 DMT를 달성하는 압축-및-전달(CF) 중계 전략을 제안한다. 이 전략은 간섭이 존재하더라도 양방향 전송에 대해 동시에 최적 성능을 제공하며, 반복형 다중호프 MIMO 중계 채널에 대한 동적 압축-및-전달 프로토콜로 확장되어 최적의 DMT 성능을 달성한다.

ABSTRACT

A multi-hop two-way relay channel is considered in which all the terminals are equipped with multiple antennas. Assuming independent quasi-static Rayleigh fading channels and channel state information available at the receivers, we characterize the optimal diversity-multiplexing gain tradeoff (DMT) curve for a full-duplex relay terminal. It is shown that the optimal DMT can be achieved by a compress-and-forward type relaying strategy in which the relay quantizes its received signal and transmits the corresponding channel codeword. It is noteworthy that, with this transmission protocol, the two transmissions in opposite directions can achieve their respective single user optimal DMT performances simultaneously, despite the interference they cause to each other. Motivated by the optimality of this scheme in the case of the two-way relay channel, a novel dynamic compress-and-forward (DCF) protocol is proposed for the one-way multi-hop MIMO relay channel for a half-duplex relay terminal, and this scheme is shown to achieve the optimal DMT performance.

연구 동기 및 목표

• 전송기에서 불완전한 CSI를 가진 전체 이중성 중계 채널에서 최적의 다이버시티-멀티플렉싱 트레이드오프(DMT)를 특성화하는 것.
• 직접적인 사용자 간 링크가 없는 양방향 다안테나 시스템에서 협업 중계의 성능 한계를 분석하는 것.
• 전송기에서 순간 채널 상태 정보에 의존하지 않고 최적 DMT를 달성하는 전송 프로토콜을 개발하는 것.
• CF 기반 전략을 반복형 다중호프 MIMO 중계 채널로 확장하고, 그 DMT 최적성 증명하는 것.

제안 방법

• 중계기가 수신 신호를 양자화하고, 공동 소스-채널 코딩을 사용하여 양자화된 버전을 전달하는 압축-및-전달(CF) 중계 전략을 제안한다.
• 중계기의 전달를 손실이 있는 공동 소스-채널 코딩 문제로 모델링하며, 수신기에서의 보조 정보(자신의 전송 신호)를 활용한다.
• 레이일레이다이팅 환경 하에서 탈락 확률을 분석하고 DMT 성능을 유도하기 위해 지수 등가 표기법(예: $ f(SNR) \dot{=} SNR^c $)을 사용한다.
• 고유값 기반 채널 분해와 탈락 확률 경계를 이용하여 CF 프로토콜의 구현 가능한 DMT를 유도한다.
• 반복형 중계를 위한 동적 압축-및-전달(DCF) 프로토콜을 도입하여 청취 및 전송 시간을 적응적으로 최적화한다.
• 이전 연구에서 유도된 외부 경계와의 비교를 통해 제안된 전략의 최적성 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축-및-전달 중계 전략은 전체 이중성 중계 채널에서 최적의 다이버시티-멀티플렉싱 트레이드오프를 달성할 수 있는가?
• RQ2 CF 프로토콜은 전송 시점에서 순간 채널 상태 정보가 없더라도 최적 DMT 성능을 유지하는가?
• RQ3 CF 기반 전략은 최적 DMT 최적성을 유지하면서 반복형 다중호프 MIMO 중계 채널로 확장될 수 있는가?
• RQ4 양방향 중계 환경에서 디코딩-및-전달(DF) 중계와 비교할 때 CF의 DMT 성능은 어떻게 되는가?
• RQ5 quasi-static 레일리 다이팅 환경 하에서 MIMO 양방향 중계 채널의 최적 탈락 행동과 해당 DMT는 무엇인가?

주요 결과

• 압축-및-전달 중계 전략은 전송기에서 순간 CSI가 없더라도 전체 이중성 중계 채널에서 최적 DMT를 달성한다.
• 서로 간섭이 존재하더라도 양방향 전송은 각각의 단일 사용자 최적 DMT를 동시에 달성한다.
• 제안된 CF 프로토콜은 외부 경계와 동일한 DMT 성능을 달성하여 전체 이중성 케이스에서의 최적성 증명한다.
• 반복형 다중호프 MIMO 중계 채널을 위한 동적 압축-및-전달(DCF) 프로토콜을 제안하며, 최적 중계 청취 시간이나 노이즈 공분산 선택이 필요 없이 최적 DMT 성능을 달성한다.
• CF 방식의 탈락 확률은 [9]에서 유도된 외부 경계와 일치하며, 지수 등가 분석을 통해 DMT 최적성 확인한다.
• DMT 성능는 채널 행렬 고유값에 대한 $(1 - \alpha_{i,j})^+$ 항의 합을 통해 특성화되며, 채널 페이딩 행동과 다이버시티 이득 간의 연결 고리로 기능한다.