[논문 리뷰] Transmission Schemes for Four-Way Relaying in Wireless Cellular Systems

Huaping Liu, Petar Popovski외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 26.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 이동국(MS)이 반대편 릴레이국(RS)을 통해 기지국(BS)과 이중방향으로 통신하는 셀룰러 네트워크에서 네 방향 릴레이를 위한 이단계 전송 방식을 제안한다. 동시 상行/하행 전송과 네트워크 코딩을 활용함으로써 스펙트럼 효율성 향상이 크게 이루어지며, 특히 디코딩-앤퍼포드(DF) 릴레이 방식에서 두드러진다. 이는 기존의 시간분할 또는 간섭이 없는 방식에 비해 공간 재사용 개선과 더 넓은 구현 가능한 전송률 영역 달성에 기여한다.

ABSTRACT

Two-way relaying in wireless systems has initiated a large research effort during the past few years. While one-way relay with a single data flow introduces loss in spectral efficiency due to its half-duplex operation, two-way relaying based on wireless network coding regains part of this loss by simultaneously processing the two data flows. In a broader perspective, the two-way traffic pattern is rather limited and it is of interest to investigate other traffic patterns where such a simultaneous processing of information flows can bring performance advantage. In this paper we consider a scenario beyond the usual two-way relaying: a four-way relaying, where each of the two Mobile Stations (MSs) has a two-way connection to the same Base Station (BS), while each connection is through a dedicated Relay Station (RS). While both RSs are in the range of the same BS, they are assumed to have antipodal positions within the cell, such that they do not interfere with each other. We introduce and analyze a two-phase transmission scheme to serve the four-way traffic pattern defined in this scenario. Each phase consists of combined broadcast and multiple access. We analyze the achievable rate region of the new schemes for two different operational models for the RS, Decode-and-Forward (DF) and Amplify-and-Forward (AF), respectively. We compare the performance with a state-of-the-art reference scheme, time sharing is used between the two MSs, while each MS is served through a two-way relaying scheme. The results indicate that, when the RS operates in a DF mode, the achievable rate regions are significantly enlarged. On the other hand, for AF relaying, the gains are rather modest. The practical implication of the presented work is a novel insight on how to improve the spatial reuse in wireless cellular networks by coordinating the transmissions of the antipodal relays.

연구 동기 및 목표

• 기존의 허프디플렉스 한 방향 또는 양방향 릴레이 방식의 제한된 스펙트럼 효율성을 해결하기 위해 새로운 트래픽 패tern을 탐색한다.
• 협동 릴레이를 통해 네 개의 데이터 흐름(두 개의 양방향 링크)을 동시에 처리함으로써 성능 향상을 조사한다.
• 방송 및 다중접근 단계를 조합한 이단계 전송 방식을 설계하여 네 방향 릴레이 환경에서 스펙트럼 효율성을 극대화한다.
• 제안된 방식을 기존의 시간분할 및 간섭이 없는 방식과 비교하여, 다양한 릴레이 프로토콜 하에서 구현 가능한 전송률 영역에 중점을 두고 분석한다.
• 반대편 릴레이 배치를 활용한 셀룰러 네트워크에서 공간 재사용 및 간섭 조율에 대한 이론적 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 이단계 전송 방식을 설계한다: 1단계는 BS에서 두 RS로의 하향 방향 브로드캐스트와 MS에서 RS로의 상행 다중접근을 포함하며, 2단계는 역할을 뒤바꾸어 RS에서 MS로 전송하고 BS로 수신한다.
• 1단계에서 BS에서 중첩 전송을 구현하여 두 RS에 동시에 전송을 지원하며, 전송률 분할 및 간섭 관리가 가능하도록 한다.
• 채널 상태 정보를 활용하여 RS에서 상행 신호를 공동으로 디코딩하고 재코딩하는 네트워크 코딩 원리를 적용한다.
• 디코딩-앤퍼포드(DF) 및 앰플리파이-앤퍼포드(AF) 두 가지 릴레이 모델 하에서 정보이론적 가우시안 코드북을 사용하여 구현 가능한 전송률 영역을 분석한다.
• 2단계에서 BS의 다중접근(MA) 영역의 모서리 점들 사이의 시간분할을 통해 전체 MA 용량 영역을 달성한다.
• 순차적 디코딩 및 간섭 제거 기법을 사용하여 2단계 전송률의 이론적 상한선이 달성 가능함을 도출하고 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반대편 RS를 통해 두 개의 양방향 MS-BS 링크를 갖는 네 방향 릴레이 환경에서, 기존의 시간분할 또는 간섭이 없는 방식보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이단계 전송 방식에서 네트워크 코딩을 활용할 경우, 기존의 릴레이 프로토콜에 비해 구현 가능한 전송률 영역이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 이 네 방향 릴레이 환경에서 디코딩-앤퍼포드(DF) 릴레이와 앰플리파이-앤퍼포드(AF) 릴레이 간의 성능 향상은 어떠한가?
• RQ4 최적의 코드워드 사이의 시간분할을 통해 2단계에서 BS의 전체 다중접근(MA) 용량 영역을 달성할 수 있는가?
• RQ5 협동 전송을 통해 반대편 릴레이를 활용한 제안된 방식이 셀룰러 네트워크에서 공간 재사용을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 디코딩-앤퍼포드(DF) 릴레이 방식에서는 기존의 시간분할 방식에 비해 훨씬 넓어진 구현 가능한 전송률 영역을 달성한다.
• 앰플리파이-앤퍼포드(AF) 릴레이에서는 기존의 방식에 비해 성능 향상이 미미하여, 이 환경에서 DF가 더 효과적임을 시사한다.
• 2단계에서 BS의 전체 다중접근(MA) 용량 영역은 MA 영역의 모서리 점을 달성하는 코드워드 사이의 시간분할을 통해 달성 가능하다.
• MS에서의 하향 전송률 $ R_i^d $ 는 각각의 채널 $ h_{i1} $ 의 단일 사용자 용량에 도달하여 개별 링크의 최적 성능을 확인한다.
• 상행 전송률 $ R_i^u $ 는 공동 디코딩 및 간섭 제거를 통해 최적화되어, BS에서의 유효 신호대간섭비+노이즈비(SINR)에 따라 달라진다.
• 2단계 전송률의 이론적 상한선이 순차적 디코딩 및 간섭 제거 기법을 통해 달성 가능함을 증명하여, 제안된 전송 전략의 최적성은 주어진 가정 하에서 검증된다.