[论文解读] A Deterministic Approach to Wireless Relay Networks

Amir Salman Avestimehr, Suhas Diggavi+1 more|ArXiv.org|Oct 19, 2007

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 10被引用 239

一句话总结

本文提出了一种用于无线中继网络的确定性信道模型，该模型捕捉了无线通信的广播与叠加特性，使得具有任意中继拓扑的单源单目的地网络能够实现容量的精确表征。在高斯网络中，该模型的容量与割集上界相差仅1–2比特，表明确定性信号方案在实际衰落环境中自然地引出接近容量的传输策略。

ABSTRACT

We present a deterministic channel model which captures several key features of multiuser wireless communication. We consider a model for a wireless network with nodes connected by such deterministic channels, and present an exact characterization of the end-to-end capacity when there is a single source and a single destination and an arbitrary number of relay nodes. This result is a natural generalization of the max-flow min-cut theorem for wireline networks. Finally to demonstrate the connections between deterministic model and Gaussian model, we look at two examples: the single-relay channel and the diamond network. We show that in each of these two examples, the capacity-achieving scheme in the corresponding deterministic model naturally suggests a scheme in the Gaussian model that is within 1 bit and 2 bit respectively from cut-set upper bound, for all values of the channel gains. This is the first part of a two-part paper; the sequel [1] will focus on the proof of the max-flow min-cut theorem of a class of deterministic networks of which our model is a special case.

研究动机与目标

• 开发一种确定性信道模型，以捕捉无线通信的关键特性——广播与叠加，同时相比高斯模型更简化分析过程。
• 利用该确定性模型，表征具有任意中继拓扑的单源单目的地无线网络的端到端容量。
• 通过证明确定性模型中的方案在对应高斯信道中与割集上界相差恒定，建立确定性模型与更真实的高斯信道模型之间的桥梁。
• 证明在所有信道增益下，可实现速率与割集上界之间的差距是有界的（单中继为1比特，钻石形网络为2比特），尤其是在高信噪比（SNR）条件下。

提出的方法

• 提出一种确定性模型，其中接收信号是发送信号的确定性函数，近似于高SNR、高动态范围且噪声可忽略的无线信道。
• 通过比特级分解建模信号级别，其中每个比特对应一个信号级别，接收过程建模为对高位比特的截断。
• 利用确定性网络中的最大流最小割定理，表征中继网络中端到端容量的精确值。
• 在确定性模型中应用部分解码转发（PDF）策略，推导出可实现速率。
• 通过将比特级操作映射到功率分配与叠加编码，将确定性方案转化为高斯网络中的方案。
• 以割集上界作为基准，证明在两个示例网络（单中继与钻石形网络）中，确定性方案的性能与该上界相差1–2比特。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种确定性模型，以捕捉无线网络的本质特征（如广播与叠加），同时实现容量的精确表征？
• RQ2 最大流最小割定理是否适用于确定性无线中继网络？其是否能给出精确的端到端容量？
• RQ3 从确定性模型中导出的方案在对应高斯网络中的性能与割集上界相差多远？
• RQ4 可实现速率与割集上界之间的差距是否可被有界，且独立于信道增益，特别是在高SNR区域？
• RQ5 该确定性模型是否提供了一种系统化方法，用于设计高斯中继网络中接近容量的传输方案？

主要发现

• 该确定性模型实现了具有任意中继拓扑的单源单目的地中继网络的精确端到端容量，推广了最大流最小割定理。
• 对于单中继信道，该确定性方案在所有信道增益下均与割集上界相差不超过1比特。
• 对于钻石形网络，该确定性方案在所有信道增益下均与割集上界相差不超过2比特。
• 可实现速率与割集上界之间的差距是有界且恒定的，即使在SNR增加时也保持不变，表明其在所有信道条件下均具有鲁棒性。
• 该确定性模型通过将比特级操作映射为功率分配与叠加编码，实现了高斯网络中近似容量方案的系统化设计。
• 在高SNR下，该确定性模型的速率区域包含高斯容量区域，且两者之间的差距有界，验证了该模型在容量近似中的有效性。