[논문 리뷰] Optimal Amplify-and-Forward Schemes for Relay Channels with Correlated Relay Noise

Binyue Liu, Ye Yang외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 24.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 상관된 리레이트 노이즈를 가진 단일 및 이중 방향 리레이트 채널에서 앰플리파이-앤드-포워드(AF) 리레이트 방식을 최적화하기 위한 통합된 두 번째 차수 원형 프rogamming(SOCP) 기반 프레임워크를 제안한다. 기존 연구에서 자주 간과되던 상황이다. 노이즈 상관관계가 노이즈 공분산에 대한 정확한 지식 없이도 평균적으로 유리할 수 있음을 보이며, 개별 리레이트 전력 제약 조건 하에서 거의 최적인 닫힌 형식의 부분 최적 해를 도출한다.

ABSTRACT

This paper investigates amplify-and-forward (AF) schemes for both one and two-way relay channels. Unlike most existing works assuming independent noise at the relays, we consider a more general scenario with correlated relay noise. We first propose an approach to efficiently solve a class of quadratically constrained fractional problems via second-order cone programming (SOCP). Then it is shown that the AF relay optimization problems studied in this paper can be incorporated into such quadratically constrained fractional problems. As a consequence, the proposed approach can be used as a unified framework to solve the optimal AF rate for the one-way relay channel and the optimal AF rate region for the two-way relay channel under both sum and individual relay power constraints. In particular, for one-way relay channel under individual relay power constraints, we propose two suboptimal AF schemes in closed-form. It is shown that they are approximately optimal in certain conditions of interest. Furthermore, we find an interesting result that, on average, noise correlation is beneficial no matter the relays know the noise covariance matrix or not for such scenario. Overall, the obtained results recover and generalize several existing results for the uncorrelated counterpart. (unsubmitted)

연구 동기 및 목표

• 기존 연구에서 자주 간과되던 상관된 리레이트 노이즈 하에서 AF 리레이트 채널에 대한 최적화 프레임워크 부족 문제를 해결하기 위해, 표준의 독립된 노이즈 가정보다 더 현실적인 모델을 제공한다.
• 합계 및 개별 리레이트 전력 제약 조건 하에서 단일 및 이중 방향 리레이트 채널에 대한 통합된 해결책을 개발한다.
• 노이즈 상관관계가 도달 가능한 전송률에 미치는 영향을 분석하며, 특히 리레이트가 노이즈 공분산 행렬을 완전히 알지 못할 경우에 초점을 맞춘다.
• 개별 리레이트 전력 제약 조건 하에서 거의 최적인 닫힌 형식의 부분 최적 AF 해를 도출한다.

제안 방법

• AF 리레이트 최적화 문제를 이차 제약 분수 프로그래밍(QCFP)으로 공식화하고, 이를 두 번째 차수 원형 프로그래밍(SOCP)을 통해 해결한다.
• SOCP를 사용하여 리레이트 전송률 최적화에서 발생하는 비볼록 분수 문제의 일군을 효율적으로 해결한다.
• SOCP 프레임워크를 상관된 노이즈가 있는 단일 및 이중 방향 리레이트 채널 모델에 통합한다.
• 개별 리레이트 전력 제약 조건 하에서 단일 방향 리레이트 채널에 대한 두 가지 닫힌 형식의 부분 최적 AF 해를 도출한다.
• 신호 대 노이즈 비율과 노이즈 상관관계 조건이 변화할 때 이러한 해의 성능을 분석한다.
• 노이즈 상관관계가 에르고딕 전송률에 미치는 영향을, 노이즈 공분산 행렬을 정확히 알고 있는지 여부에 따라 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상관된 리레이트 노이즈가 존재하는 상황에서 AF 리레이트 최적화는 어떻게 공식화하고 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ2 노이즈 상관관계는 단일 및 이중 방향 리레이트 채널에서 도달 가능한 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 개별 리레이트 전력 제약 조건 하에서 거의 최적인 닫힌 형식의 부분 최적 AF 해를 도출할 수 있는가?
• RQ4 리레이트가 노이즈 공분산 행렬의 전체 정보를 알지 못하더라도 노이즈 상관관계가 시스템 성능에 유리한가?
• RQ5 제안된 SOCP 기반 프레임워크는 상관없는 노이즈 상황에 대한 기존 결과를 어떻게 일반화하는가?

주요 결과

• 제안된 SOCP 기반 프레임워크는 다양한 전력 제약 조건 하에서 단일 및 이중 방향 리레이트 채널의 AF 전송률 최적화를 위한 통합적 해결책을 제공한다.
• 노이즈 공분산 행렬을 리레이트가 알고 있는지 여부에 관계없이, 단일 방향 리레이트 채널에서 노이즈 상관관계는 평균적으로 유리하다.
• 제안된 두 가지 닫힌 형식의 부분 최적 AF 해는 고SNR 영역에서 개별 리레이트 전력 제약 조건 하에서 거의 최적의 성능을 달성한다.
• 프레임워크는 기존의 상관없는 노이즈 상황에 대한 결과들을 특수 케이스로 일반화하고 재구성한다.
• 최적화 문제는 QCQP로 재공식화되고 SOCP를 통해 효율적으로 해결되어 실용적 구현이 가능해진다.