[论文解读] MIMO Two-way Relay Channel: Diversity-Multiplexing Tradeoff Analysis

Denız Gündüz, Andrea Goldsmith+1 more|ArXiv.org|Dec 18, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 17被引用 46

一句话总结

本文分析了在全双工协作中继的MIMO双向中继信道中的分集-复用增益权衡（DMT），提出了一种压缩转发（CF）协作策略，该策略在发射端无需瞬时信道状态信息（CSI）的情况下实现了最优DMT。该方案使得双向传输在存在干扰的情况下仍能同时实现最优性能，并进一步扩展至半双工多跳MIMO中继信道的动态压缩转发协议，实现了最优的DMT性能。

ABSTRACT

A multi-hop two-way relay channel is considered in which all the terminals are equipped with multiple antennas. Assuming independent quasi-static Rayleigh fading channels and channel state information available at the receivers, we characterize the optimal diversity-multiplexing gain tradeoff (DMT) curve for a full-duplex relay terminal. It is shown that the optimal DMT can be achieved by a compress-and-forward type relaying strategy in which the relay quantizes its received signal and transmits the corresponding channel codeword. It is noteworthy that, with this transmission protocol, the two transmissions in opposite directions can achieve their respective single user optimal DMT performances simultaneously, despite the interference they cause to each other. Motivated by the optimality of this scheme in the case of the two-way relay channel, a novel dynamic compress-and-forward (DCF) protocol is proposed for the one-way multi-hop MIMO relay channel for a half-duplex relay terminal, and this scheme is shown to achieve the optimal DMT performance.

研究动机与目标

• 表征在全双工协作中继的MIMO双向中继信道中，发射端存在非完美CSI时的最优分集-复用增益权衡（DMT）。
• 分析在缺乏用户间直接链路的双向多天线系统中协作中继的性能极限。
• 设计一种传输协议，实现在不依赖发射端瞬时信道状态信息的情况下达到最优DMT。
• 将基于CF的方案扩展至半双工多跳MIMO中继信道，并证明其DMT最优性。

提出的方法

• 提出一种压缩转发（CF）协作策略，中继对收到的信号进行量化，并利用联合源-信道编码将量化后的版本转发。
• 将中继的转发过程建模为有失真联合源-信道编码问题，利用接收端的附加信息（即其自身发送的信号）作为辅助信息。
• 采用指数等价符号表示法（如 $ f(SNR) \dot{=} SNR^c $）分析中断概率，并在瑞利衰落信道下推导出DMT性能。
• 通过基于特征值的信道分解和中断概率边界分析，推导出CF协议的可实现DMT。
• 为半双工中继提出一种动态压缩转发（DCF）协议，自适应地优化监听与传输时间。
• 将所获DMT性能与先前工作中的外边界进行比较，证明所提方案的最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全双工协作中继的MIMO双向中继信道中，压缩转发协作策略能否实现最优分集-复用增益权衡？
• RQ2 当中继在传输时刻不具有瞬时信道状态信息时，CF协议是否仍能保持最优的DMT性能？
• RQ3 基于CF的方案能否扩展至半双工多跳MIMO中继信道，同时保持DMT最优性？
• RQ4 在双向中继场景中，与DF协作相比，CF协作在DMT性能方面表现如何？
• RQ5 在准静态瑞利衰落信道下，MIMO双向中继信道的最优中断行为及其对应的DMT是什么？

主要发现

• 压缩转发协作策略在全双工协作中继的MIMO双向中继信道中实现了最优DMT，即使在发射端无瞬时CSI的情况下亦成立。
• 尽管存在相互干扰，双向传输仍能同时实现各自单用户最优的DMT。
• 所提CF协议的DMT性能与外边界一致，证明了其在全双工情况下的最优性。
• 为半双工多跳MIMO中继信道提出了一种动态压缩转发（DCF）协议，无需最优中继监听时间或噪声协方差选择即可实现最优DMT。
• CF方案的中断概率与文献[9]推导的外边界一致，通过指数等价分析确认了DMT最优性。
• DMT性能通过信道矩阵特征值的 $(1 - \alpha_{i,j})^+$ 项之和表征，将信道衰落行为与分集增益联系起来。