[論文レビュー] Full-Duplex Relaying with Half-Duplex Relays

Song-Nam Hong, Giuseppe Caire|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2013

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、送信と受信を交互に切り替える2つのハーフデュプレックスリレーより成る仮想フルデュプレックスリレーシステムを提案する。これにより、ソースは各時刻スロットごとに新しいメッセージを送信可能となる。Quantize-and-Forward (QMF) と Compute-and-Forward (CoF) が低複雑性で高いスループットを達成できることを示し、QMFは共同デコードを回避し、CoFは3dB以内のチャネル変動下でホップ数に依存しない定常レートを達成する。

ABSTRACT

We consider "virtual" full-duplex relaying by means of half-duplex relays. In this configuration, each relay stage in a multi-hop relaying network is formed by at least two relays, used alternatively in transmit and receive modes, such that while one relay transmits its signal to the next stage, the other relay receives a signal from the previous stage. With such a pipelined scheme, the source is active and sends a new information message in each time slot. We consider the achievable rates for different coding schemes and compare them with a cut-set upper bound, which is tight in certain conditions. In particular, we show that both lattice-based Compute and Forward (CoF) and Quantize reMap and Forward (QMF) yield attractive performance and can be easily implemented. In particular, QMF in this context does not require "long" messages and joint (non-unique) decoding, if the quantization mean-square distortion at the relays is chosen appropriately. Also, in the multi-hop case the gap of QMF from the cut-set upper bound grows logarithmically with the number of stages, and not linearly as in the case of "noise level" quantization. Furthermore, we show that CoF is particularly attractive in the case of multi-hop relaying, when the channel gains have fluctuations not larger than 3dB, yielding a rate that does not depend on the number of relaying stages. In particular, we argue that such architecture may be useful for a wireless backhaul with line-of-sight propagation between the relays.

研究の動機と目的

• フルデュプレックスリレーの自己干渉およびハードウェア制限を克服するため、ハーフデュプレックスリレーを用いた実用的な仮想フルデュプレックスリレーアーキテクチャを設計すること。
• ラティス符号に基づく符号化方式（例：Quantize-and-Forward (QMF) および Compute-and-Forward (CoF)）を用いたマルチホップリレーネットワークにおける達成可能レートの分析。
• 特にスペクトル効率およびチャネル変動へのロバストネスの観点から、QMFおよびCoFが従来のハーフデュプレックスリレーリングに比べて果たす性能向上の評価。
• 適切に選ばれた量子化歪みのもとで、QMFが長時間のメッセージや共同デコードを要さずにほぼ容量性能を達成できることの確立。
• チャネル利得の変動が≤3dB以内に収まる条件下で、CoFがリレー段数に依存しない定常レートを維持できることの示唆。これは、視線ラインバックホールネットワークに最適である。

提案手法

• 各時刻スロットで1つのリレーより送信、もう1つのリレーが受信するパイプライン型2リレー方式を採用。スロットごとに送受信役割を交代させることで、フルデュプレックス動作を模倣する。
• QMFに量子化ノイズ形状化を適用し、共同デコードを回避しつつ信頼性の高い復調を可能にする。誤り確率を最小化するために、歪みレベルを最適選択する。
• Latticeコードを用いたCompute-and-Forward (CoF) を採用。リレーが送信信号の整数線形結合を復調可能とし、効率的なマルチホップ転送を実現する。
• 確率的符号化の議論と典型性に基づく誤り解析により達成可能レートを導出。誤り確率は典型性およびエントロピー・パワー不等式を用いて上限評価する。
• タイトなカットセット上限界と比較。QMFの容量とのギャップは、リレー段数に従って対数的に増加するが、従来のノイズレベル量子化と異なり線形的増加ではない。
• QMFの簡略化モデルとして、リレーが受信信号を量子化し、その量子化版を転送する方式を採用。歪みは量子化ノイズ分散によって制御される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハーフデュプレックスリレーのみを用いて仮想フルデュプレックスリレーシステムを構築可能であり、フルデュプレックスのハードウェア複雑性を回避しつつ高いスペクトル効率を達成できるか？
• RQ2 本仮想フルデュプレックス環境下におけるQMFの性能は、従来のハーフデュプレックスリレーリングと比較して、復調複雑性およびメッセージ長要件の観点でどのように異なるか？
• RQ3 チャネル利得の変動が3dB以内に収まる場合、CoFは複数ホップにわたり定常レートを維持できるか？この性質がバックホールネットワークにおいてなぜ重要か？
• RQ4 パイプライン型2リレー構造における、リレー間干渉と達成可能レートとの根本的トレードオフは何か？
• RQ5 QMFは共同デコードや長ブロック長を要さずにほぼ容量性能を達成可能か？この性能を可能にする量子化戦略は何か？

主な発見

• QMFは、$ R < \frac{1}{2} \log\left(1 + \frac{{\sf SNR}}{1 + \sigma_q^2}\right) $ のスロットあたりのレートを達成。適切に選ばれた量子化歪み $ \sigma_q^2 $ のもとで、カットセット境界に近い性能を示す。
• QMFとカットセット上限界とのギャップは、リレー段数に従って対数的に増加するが、従来のノイズレベル量子化とは異なり線形的増加ではない。
• チャネル利得の変動が3dB以内に収まる場合、CoFはリレー段数に依存しない定常レートを達成できる。これは、整数線形結合を信頼性高く復調できる能力に起因する。
• QMFは共同（非一意）デコードや長メッセージを必要としない。代わりに、誤り確率を低減する量子化戦略により、低複雑性で効率的な逐次復調が可能となる。
• 提案された仮想フルデュプレックス方式は、理想のフルデュプレックスリレーと同等のスペクトル効率を達成。実用的なリレー間干渉下でも、ハーフデュプレックスリレーシステムに比して性能向上を示す。
• 視線ラインの無線バックホールネットワークにおいて特に適しており、チャネル安定性および低パスルーレスが有利に働く。これにより、スケーラブルかつ高スループットなマルチホップリンクが実現可能となる。