[논문 리뷰] Interference Two-Way Relay Channel with Three End-nodes

Erhan Yilmaz, Raymond Knopp외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 15.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두 사용자 장비(UE)와 전량중복(FD) 기지국(BS)으로 구성된 세 개의 종단 노드를 갖는 새로운 간섭 양방향 중계 채널(ITWRC) 모델을 제안한다. 이 모델은 중계 노드를 통해 동시에 업링크 및 다운링크 통신을 가능하게 한다. 디코딩-포워딩(DF) 전략을 사용하여 비율 분할 유무에 따라 도달 가능한 비율 영역을 유도하며, 부분-DF와 압축-포워딩(pDF+CF) 중계 전략을 사용한 경우도 고려한다. 간섭을 부가 정보로 활용하고 중계 협업을 통해 스펙트럼 효율을 향상시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we study a communication system consisting of three end-nodes, e.g. a single transceiver base station (BS), one transmitting and one receiving user equipments (UEs), and a common two-way relay node (RN) wherein the full-duplex BS transmits to the receiving UE in downlink direction and receives from the transmitting UE in uplink direction with the help of the intermediate full-duplex RN. We call this system model as interference two-way relay channel (ITWRC) with three end-nodes. Information theoretic bounds corresponding this system model are derived and analyzed so as to better understand the potentials of exploiting RN in future communication systems. Specifically, achievable rate regions corresponding to decode-and-forward (DF) relaying with and without rate splitting, and partial-DF and compress-and-forward (pDF+CF) relaying strategies are derived.

연구 동기 및 목표

• 전량중복 기지국(BS)이 동시에 두 사용자 장비(UE)와 업링크 및 다운링크 방향으로 통신할 수 있도록 하는 새로운 간섭 양방향 중계 채널(ITWRC) 모델을 수립하고 분석한다.
• 동일 대역 업링크 전송으로부터 발생하는 간섭이 어떻게 처리될 수 있으며, BS에서 부가 정보로 활용될 수 있는지 조사한다. 이를 통해 시스템 비율을 향상시킬 수 있다.
• 이러한 하이브리드 간섭 및 양방향 중계 환경에 맞는 새로운 중계 전략을 위해 정보이론적 한계와 도달 가능한 비율 영역을 유도한다.
• 이 시스템 모델에서 디코딩-포워딩(DF) 전략을 비율 분할 유무에 따라 분석하고, 부분-DF와 압축-포워딩(pDF+CF) 중계 전략의 성능 향상을 평가한다.

제안 방법

• 전량중복 BS, 하나의 업링크 UE, 하나의 다운링크 UE로 구성된 세 개의 종단 노드를 갖는 이산 메모리리스 ITWRC 모델을 제안한다. 모든 노드는 전량중복 중계 노드(RN)를 통해 연결된다.
• 전송 UE에서 비율 분할 유무에 따라 디코딩-포워딩(DF) 중계 전략을 사용하여 도달 가능한 비율 영역을 유도한다. 이 과정에서 공동 디코딩 및 바인딩 기법을 활용한다.
• 부분-DF와 압축-포워딩(pDF+CF)을 조합한 하이브리드 중계 전략을 도입한다. 이 전략에서는 RN이 수신 신호의 압축된 버전을 포워딩하고 일부 메시지를 디코딩한다.
• 블록 마르코프 인코딩 방식을 사용하며, 중첩 인코딩, 바인딩, 공동 일반성 디코딩을 적용하여 중계 채널 상에서 신뢰성 있는 통신을 구현한다.
• 비교를 위해 도달 가능한 비율 영역의 이론적 한계를 설정하기 위해 컷-셋 외부 경계를 적용한다.
• BS와 수신 UE에서 일반성 기반 디코딩을 수행하며, 중계로부터의 부가 정보와 알려진 송신 신호를 활용하여 간섭을 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동시 업링크 및 다운링크 트래픽이 존재하는 전량중복 중계 지원 셀룰러 시스템에서, 동일 대역 업링크 전송으로부터 발생하는 간섭은 어떻게 효과적으로 관리될 수 있는가?
• RQ2 제안된 ITWRC 모델에서 비율 분할 유무에 따라 디코딩-포워딩(DF) 중계 전략의 도달 가능한 비율 영역은 무엇인가?
• RQ3 부분-DF와 압축-포워딩(pDF+CF) 중계 전략은 이 간섭이 많은 중계 환경에서 기존의 DF 전략보다 더 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ4 기지국은 자신의 송신 신호를 수신기에서 부가 정보로 얼마나 효과적으로 활용할 수 있으며, 이는 디코딩 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비율 분할을 포함한 디코딩-포워딩(DF) 중계 전략에 대해 도달 가능한 비율 영역을 유도하였으며, 업링크 메시지를 공통 및 개인 부분으로 분할함으로써 중계기 및 수신기에서의 간섭 제거 성능이 향상되어 스펙트럼 효율이 향상됨을 보여준다.
• 비율 분할이 없는 DF 전략에 대한 도달 가능한 비율 영역도 유도되었으며, 이는 비교 기준이 되며 고간섭 환경에서 비율 분할 전략이 상당한 비율 향상을 제공함을 시사한다.
• 하이브리드 pDF+CF 전략은 순수한 DF 전략보다 더 넓은 비율 영역을 달성한다. 특히 중계기가 모든 메시지를 신뢰성 있게 디코딩하지 못하는 경우, 부분 디코딩과 수신 신호의 압축을 조합함으로써 성능 향상을 이룬다.
• 컷-셋 외부 경계가 유도되었으며, 이는 최대 도달 가능한 합산 비율에 대한 이론적 한계를 제공하여 제안된 중계 전략의 성능을 검증하는 데 기여한다.
• 분석 결과, 기지국은 자신의 송신 신호를 부가 정보로 활용하여 수신기에서의 간섭 제거를 더 효과적으로 수행할 수 있으며, 이는 도달 가능한 다운링크 비율 향상에 기여한다.
• 수치 결과(비율 영역 유도 및 비교를 통해 암시됨)는 제안된 전략, 특히 pDF+CF 및 비율 분할이 포함된 DF 전략이 간섭 제한 환경에서 합산 비율과 스펙트럼 효율 측면에서 기존의 방법보다 뛰어난 성능을 보임을 시사한다.