[论文解读] Achieving Net Feedback Gain in the Butterfly Network with a Full-Duplex Bidirectional Relay

Anas Chaaban, Aydin Sezgin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2012

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文表征了具有双向中继和中继到源端反馈的全双工蝴蝶网络的容量区域，表明通过结合计算转发、解码转发、协作对消和基于反馈的中继技术，反馈能够实现净速率增益。结果表明，在某些参数范围内，每反馈一位，总容量可增加2比特，净反馈增益η = 2。

ABSTRACT

A symmetric butterfly network (BFN) with a full-duplex relay operating in a bi-directional fashion for feedback is considered. This network is relevant for a variety of wireless networks, including cellular systems dealing with cell-edge users. Upper bounds on the capacity region of the general memoryless BFN with feedback are derived based on cut-set and cooperation arguments and then specialized to the linear deterministic BFN with really-source feedback. It is shown that the upper bounds are achievable using combinations of the compute-forward strategy and the classical decode-and-forward strategy, thus fully characterizing the capacity region. It is shown that net rate gains are possible in certain parameter regimes.

研究动机与目标

• 表征具有全双工中继和中继-源端反馈的线性确定性蝴蝶网络的容量区域。
• 确定反馈是否在非反馈配置之上提供净速率增益。
• 开发利用反馈进行干扰管理以及源端与中继之间协作的传输策略。
• 通过比较总容量的增加与反馈开销，分析反馈的效率。

提出的方法

• 利用切割集和协作论证，推导一般无记忆干扰中继信道（带反馈，IRCF）的容量区域上界。
• 将外边界特化到具有中继-源端反馈的线性确定性蝴蝶网络。
• 提出一种可实现方案，结合计算转发（CF）、解码转发（DF）、协作对消（CN）和反馈（F）策略。
• 使用傅里叶-莫茨金消去法求解定义可实现速率区域的线性不等式组。
• 在接收端采用逆向解码，以在处理CF和F信号后恢复所需信号。
• 将反馈建模为双向中继信道，其中源端通过中继使用基于XOR的反馈信号交换信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 中继-源端反馈是否使蝴蝶网络的总容量超过非反馈情况？
• RQ2 反馈能否被高效利用，使得总容量增益超过所用反馈比特数？
• RQ3 实现容量区域的最优传输策略组合（CF、DF、CN、F）是什么？
• RQ4 在何种信道参数范围内会出现净反馈增益？
• RQ5 反馈链路和前向链路如何相互作用以实现协作和干扰对消？

主要发现

• 通过结合计算转发、解码转发、协作对消和反馈策略，完全表征了具有中继-源端反馈的全双工线性确定性蝴蝶网络的容量区域。
• 当反馈速率相对于信道维度足够低时，可实现净反馈增益，示例中净增益比η = 2（nc=6, ns=3, nr=1, nf=1）。
• 在示例（nc, ns, nr, nf）= (6, 3, 1, 1) 中，总容量从无反馈时的每信道使用2比特增加到有反馈时的每信道使用4比特。
• 反馈机制实现了每反馈比特2比特的净增益，即每个反馈比特贡献其自身大小两倍的总容量增加。
• 当nc ≤ nr时，无法实现反馈增益，因为无论是否使用反馈，容量区域均保持不变。
• 所提出的策略达到了外边界，证明所推导的速率区域确实是容量区域。