[论文解读] Differential Modulation for Bi-directional Relaying with Analog Network Coding

Lingyang Song, Yonghui Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2011

Cooperative Communication and Network Coding被引用 5

一句话总结

本文提出了一种无需源端或中继端信道状态信息（CSI）的双向放大-转发中继网络的差分调制方案。通过功率估计与信号相减实现差分检测，该方案在仅约3 dB损耗下实现了接近相干性能，且最优功率分配相比等功率方案可提升1–2 dB性能。

ABSTRACT

In this paper, we propose an analog network coding scheme with differential modulation (ANC-DM) using amplify-and-forward protocol for bidirectional relay networks when neither the source nodes nor the relay knows the channel state information (CSI). The performance of the proposed ANC-DM scheme is analyzed and a simple asymptotic bit error rate (BER) expression is derived. The analytical results are verified through simulations. It is shown that the BER performance of the proposed differential scheme is about 3 dB away from that of the coherent detection scheme. To improve the system performance, the optimum power allocation between the sources and the relay is determined based on the simplified BER. Simulation results indicate that the proposed differential scheme with optimum power allocation yields 1-2 dB performance improvement over an equal power allocation scheme.

研究动机与目标

• 解决在快速衰落无线中继网络中因缺乏CSI而导致的高复杂度信道估计问题。
• 设计一种适用于双向中继的实用差分调制方案，避免导频开销与复杂的CSI反馈。
• 开发一种基于线性检测的低复杂度差分接收机，利用时隙间的信号相关性。
• 推导高信噪比（SNR）下的渐近误比特率（BER）表达式，以指导源与中继间最优功率分配。
• 通过优化功率分配提升系统性能，且无需CSI，经仿真与分析验证。

提出的方法

• 在包含两个源与一个中继的三节点双向中继网络中，采用放大-转发（AF）协议的模拟网络编码（ANC）方案。
• 在两个源端均采用差分调制，利用非相干传输，消除对导频符号或CSI的需求。
• 在接收端，通过从叠加信号中减去源端自身发送信号，实现差分检测，利用估计的信道功率增益。
• 提出一种基于功率估计的方法，从接收信号中估计有效信道增益（μ），实现在无CSI条件下的类似相干检测。
• 利用统计信号建模与矩生成函数，在高SNR条件下推导渐近BER表达式。
• 在总功率约束下，通过最小化推导出的渐近BER，优化源与中继之间的功率分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种适用于双向中继的差分调制方案，使其在源端或中继端无需信道状态信息（CSI）？
• RQ2 所提出的差分方案与相干检测在误比特率（BER）方面的性能差距是多少？
• RQ3 所提出的差分检测方法与现有非相干方案相比，在复杂度与性能方面有何差异？
• RQ4 在无CSI条件下，源与中继间最优功率分配策略为何种形式，可使BER最小化？
• RQ5 在高SNR条件下，星座旋转是否能为所提出的差分方案带来性能增益？

主要发现

• 所提出的差分调制方案在无CSI条件下，其误比特率（BER）性能与相干检测方案相比仅损失约3 dB。
• 在高SNR条件下推导出的渐近BER表达式与仿真结果高度吻合，验证了分析模型的准确性。
• 最优功率分配方案中，源端发射功率为 $ p_s = p/4 $，中继端为 $ p_r = p/2 $，相比等功率分配可获得1–2 dB的性能增益。
• 所提出的基于功率估计与信号相减的差分检测器，性能接近理想水平，仅比相干检测损失约3 dB，优于以往非相干方案（后者最高损失达6 dB）。
• 有效信道增益 $ ilde{\mu} $ 的估计非常准确，尤其在高SNR时，如归一化均方误差（MSE）曲线所示。
• 星座旋转在所提方案中未带来显著性能增益，尤其在长帧长条件下，表明该方案无需此类改进即可保持鲁棒性。