[论文解读] On Compress-Forward without Wyner-Ziv Binning for Relay Networks

Peng Zhong, Ahmad Abu Al Haija+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 20被引用 9

一句话总结

本文提出了一种无需Wyner-Ziv分组的新型压缩-转发中继方案，用于中继网络，通过联合解码信息与压缩索引以放宽速率约束。结果表明，消除分组机制可使多接收端网络的可译速率区域更大，且信息重复对于克服块边界效应至关重要，从而在降低编码/解码延迟的前提下实现噪声网络编码的速率区域。

ABSTRACT

Noisy network coding is recently proposed for the general multi-source network by Lim, Kim, El Gamal and Chung. This scheme builds on compress-forward (CF) relaying but involves three new ideas, namely no Wyner-Ziv binning, relaxed simultaneous decoding and message repetition. In this paper, using the two-way relay channel as the underlining example, we analyze the impact of each of these ideas on the achievable rate region of relay networks. First, CF without binning but with joint decoding of both the message and compression index can achieve a larger rate region than the original CF scheme for multi-destination relay networks. With binning and successive decoding, the compression rate at each relay is constrained by the weakest link from the relay to a destination; but without binning, this constraint is relaxed. Second, simultaneous decoding of all messages over all blocks without uniquely decoding the compression indices can remove the constraints on compression rate completely, but is still subject to the message block boundary effect. Third, message repetition is necessary to overcome this boundary effect and achieve the noisy network coding region for multi-source networks. The rate region is enlarged with increasing repetition times. We also apply CF without binning specifically to the one-way and two-way relay channels and analyze the rate regions in detail. For the one-way relay channel, it achieves the same rate as the original CF and noisy network coding but has only 1 block decoding delay. For the two-way relay channel, we derive the explicit channel conditions in the Gaussian and fading cases for CF without binning to achieve the same rate region or sum rate as noisy network coding. These analyses may be appealing to practical implementation because of the shorter encoding and decoding delay in CF without binning.

研究动机与目标

• 分析在中继网络中消除Wyner-Ziv分组对压缩-转发中继的影响。
• 研究在多接收端网络中，联合解码信息与压缩索引如何改善可译速率区域。
• 解决在解码过程中因最后一组块中信号参与不完整而引起的块边界效应。
• 确定信息重复在实现噪声网络编码速率区域中的必要性与作用。
• 评估所提方案在单向与双向中继信道中的性能，特别是在高斯信道与衰落信道中的表现。

提出的方法

• 提出一种无需Wyner-Ziv分组的压缩-转发方案，中继节点仅转发压缩信号而不进行分组，从而在多接收端网络中实现更大的速率区域。
• 在接收端联合解码信息与压缩索引，以放宽由最弱中继-接收端链路施加的压缩速率约束。
• 采用对所有块中所有信息的同时解码，而无需唯一解码压缩索引，从而减少对压缩速率的约束。
• 在多个块中重复传输信息，以缓解因最后一组块中信号利用不完整而引起的块边界效应。
• 推导出在何种信道条件下，无分组压缩-转发方案在高斯与衰落双向中继信道中可实现与噪声网络编码相同的速率区域或和速率。
• 利用信息论界分析该方案，并通过联合解码与信息重复推导出可译速率，其中速率评估涉及Meijer G函数的数学表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 与原始压缩-转发方案相比，消除Wyner-Ziv分组在多接收端中继网络中对可译速率区域有何影响？
• RQ2 在中继网络中，联合解码信息与压缩索引在放宽压缩速率约束方面起什么作用？
• RQ3 块边界效应如何限制块衰落中继系统中的性能，是否可被克服？
• RQ4 在多源网络中，实现噪声网络编码速率区域所需的最少信息重复次数是多少？
• RQ5 在何种信道条件下，无分组压缩-转发方案在双向中继信道中可实现与噪声网络编码相同的速率区域或和速率？

主要发现

• 在多接收端中继网络中，无分组且联合解码信息与压缩索引的压缩-转发方案，由于压缩速率约束的放宽，其可译速率区域大于原始压缩-转发方案。
• 块边界效应——由最后一组块中信号参与不完整引起——在未使用信息重复的情况下进行同时解码时会限制性能。
• 信息重复是克服块边界效应所必需的，且随着重复次数的增加，可译速率区域也随之扩大，最终达到噪声网络编码的速率区域。
• 在单向中继信道中，所提方案的速率与原始压缩-转发及噪声网络编码相同，但仅引入一个块的解码延迟。
• 在双向中继信道中，推导出了在高斯与衰落信道中，无分组压缩-转发方案与噪声网络编码实现相同速率区域或和速率的显式条件。
• 联合解码与信息重复的结合使该方案能够在降低编码与解码延迟的前提下实现噪声网络编码的速率区域，因而更适合实际应用。