[论文解读] Amplify-and-Forward in Wireless Relay Networks

Samar Agnihotri, Sidharth Jaggi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 17被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新颖的优化框架，用于计算一般高斯放大转发（AF）中继网络中的最大可实现速率，表明中继的全功率放大并不总是最优的。该框架推导出的可实现速率下界与割集上界相差一个常数因子，即使在复杂拓扑和任意信噪比（SNR）范围内也成立，采用统一的公式化方法，推广了先前的结果。

ABSTRACT

A general class of wireless relay networks with a single source-destination pair is considered. Intermediate nodes in the network employ an amplify-and-forward scheme to relay their input signals. In this case the overall input-output channel from the source via the relays to the destination effectively behaves as an intersymbol interference channel with colored noise. Unlike previous work we formulate the problem of the maximum achievable rate in this setting as an optimization problem with no assumption on the network size, topology, and received signal-to-noise ratio. Previous work considered only scenarios wherein relays use all their power to amplify their received signals. We demonstrate that this may not always maximize the maximal achievable rate in amplify-and-forward relay networks. The proposed formulation allows us to not only recover known results on the performance of the amplify-and-forward schemes for some simple relay networks but also characterize the performance of more complex amplify-and-forward relay networks which cannot be addressed in a straightforward manner using existing approaches. Using cut-set arguments, we derive simple upper bounds on the capacity of general wireless relay networks. Through various examples, we show that a large class of amplify-and-forward relay networks can achieve rates within a constant factor of these upper bounds asymptotically in network parameters.

研究动机与目标

• 为解决在缺乏对网络规模、拓扑或SNR的限制性假设下分析放大转发（AF）中继网络的通用框架缺失问题。
• 证明在AF网络中，中继采用全功率放大的方式并不总是能最大化端到端吞吐量。
• 提供一种基于优化的统一方法，用于计算复杂AF中继网络中的可实现速率，而现有方法在这些场景下失效。
• 推导出在各种网络类型和工作模式下，与割集上界相差一个常数因子的紧致容量下界。

提出的方法

• 将AF中继网络中的最大可实现速率建模为一个优化问题，不依赖于网络规模、拓扑或SNR的假设。
• 将端到端信道建模为由于多径效应和中继引入的干扰而产生的彩色噪声的符号间干扰（ISI）信道。
• 利用割集论证推导容量上界，具体通过广播割集和多址割集进行容量限制。
• 应用从原始问题（P2）简化而来的优化公式（P4），以使分析变得可行。
• 采用信干噪比（SINR）分析方法，在不同中继功率约束下计算可实现速率。
• 通过渐近分析评估网络规模增大时，可实现速率与上界之间的差距。

实验结果

研究问题

• RQ1 在AF中继网络中，中继的全功率放大是否总是能最大化端到端吞吐量？
• RQ2 能否开发一种通用的优化框架，用于在无拓扑或SNR限制的情况下计算任意高斯AF中继网络中的可实现速率？
• RQ3 在一般中继网络中，AF方案相对于理论容量上界能实现多接近的性能？
• RQ4 在大规模中继网络中，可实现速率与割集上界之间的渐近差距是多少？

主要发现

• 中继的全功率放大并非总是最优；次优的功率分配可实现更高的端到端速率。
• 所提出的优化框架能够恢复简单网络中的已知结果，并推广至以往方法难以处理的复杂拓扑。
• 对于无衰减的A类和B类中继网络，随着中继功率增加，AF方案的可实现速率渐近地接近割集上界的一个常数因子。
• 在总中继功率恒定的情况下，割集上界与可实现速率之间的差距被限制在 (1/2)log(1 + 1/Q) 以内，且随着Q增大而收紧。
• 在信道增益有界的网络中，渐近差距被限制在 (1/2)log(h_max / h_min²) 以内，表明对信道变化具有鲁棒性。
• 该框架能够提供比以往更紧致的容量下界，尤其在低至中等SNR区域以及非分层网络中表现更优。