[논문 리뷰] Power Adaptive Network Coding for a Non-Orthogonal Multiple-Access Relay Channel

Sha Wei, Jun Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 01.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 36인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 순간 채널 상태 정보 기반으로 리레이트 전력 수준을 최적화하여 다중 사용자 간섭으로 인한 성능 저하를 완화하고 다양도 이득을 향상시키며 기호 쌍 오류율(SPER)을 감소시키는 파wr 적응형 네트워크 코딩(PANC) 기법을 비정규 다중접근 리레이트 채널(MARC)에 제안한다. 기존의 XOR 기반 네트워크 코딩(CXNC)은 다중 사용자 간섭으로 인해 오직 일차 다양도를 달성할 뿐이지만, PANC는 좌표 변환(CT) 방법을 통해 SPER 유도를 단순화하고, 최소 최대 최적화를 통해 오류 확률을 최소화함으로써 두 차수의 완전한 다양도를 달성한다.

ABSTRACT

In this paper we propose a novel power adapted network coding (PANC) for a non-orthogonal multiple-access relay channel (MARC), where two sources transmit their information simultaneously to the destination with the help of a relay. Different from the conventional XOR-based network coding (CXNC), the relay in our PANC generates network coded bits by considering the coefficients of the source-to-relay channels, and forwards each bit with a pre-optimized power level. Specifically, by defining a symbol pair as two symbols from the two sources, we first derive the exact symbol pair error rate (SPER) of the system. Noting that the generations of the exact SPER are complicated due to the irregularity of the decision regions caused by random channel coefficients, we propose a coordinate transform (CT) method to simplify the derivations of the SPER. Next, we prove that with a power scaling factor at relay, our PANC scheme can achieve full diversity gain, i.e., two-order diversity gain, of the system, while the CXNC can only achieve one-order diversity gain due to multi-user interference. In addition, we optimize the power levels at the relay to equivalently minimize the SPER at the destination concerning the relationship between SPER and minimum Euclidean distance of the received constellation. Simulation results show that (1) the SPER derived based on our CT method can well approximate the exact SPER with a much lower complexity; (2) the PANC scheme with power level optimizations and power scaling factor design can achieve full diversity, and obtain a much higher coding gain than the PANC scheme with randomly chosen power levels.

연구 동기 및 목표

• 기존 네트워크 코딩 기법에서 다중 사용자 간섭으로 인해 발생하는 비정규 다중접근 리레이트 채널(MARC)의 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 기존 XOR 기반 네트워크 코딩(CXNC)이 간섭으로 인해 실패하는 비정규 MARC에서 두 차수의 완전한 다양도 이득을 달성하는 네트워크 코딩 전략을 설계하기 위해.
• 랜덤 fading으로 인해 비정규 결정 영역이 발생하는 상황에서도 정확한 시스템 성능를 모델링할 수 있는 폐쇄형 기호 쌍 오류율(SPER) 표현식을 유도하기 위해.
• 비정규 평행사변형 형태의 신호 집합을 직사각형 형태로 변환함으로써 SPER 유도의 계산 복잡도를 감소시키기 위해 좌표 변환(CT) 방법을 도입하기 위해.
• 유클리드 거리와 오류 확률 간의 관계를 기반으로 한 최소 최대 기준을 활용해 리레이트의 전력 할당을 최적화함으로써 SPER를 낮추고 복잡도를 낮추기 위해.

제안 방법

• 리레이트가 소스-리레이트 채널 계수를 이용해 네트워크 코딩 비트를 생성하고, 각 비트를 사전 최적화된 두 전력 수준 중 하나로 전송하는 새로운 파워 적응형 네트워크 코딩(PANC) 기법을 제안한다.
• 두 소스에서 전송된 두 기호를 기호 쌍으로 정의하고, 페이딩 채널에서 발생하는 비정규 결정 영역에 대해 육각형 확률 계산을 통해 정확한 SPER를 유도한다.
• 원래 리레이트에서의 평행사변형 형태의 신호 집합을 직사각형 형태로 변환하는 좌표 변환(CT) 방법을 제안하여, 랜덤 채널 계수 하에서 SPER 유도를 단순화한다.
• 전체 다양도 이득을 확보하기 위해 리레이트에 전력 스케일링 인자를 통합하고, 이론적으로 PANC가 어떤 전력 수준 선택에도 두 차수의 다양도를 달성함을 증명한다.
• 유클리드 거리와 오류 확률 간의 관계를 기반으로 한 최소 최대 기준을 활용해 리레이트의 최적 전력 적응 수준을 찾는 볼록 최적화 문제를 수립함으로써, 효과적 신호 집합의 최소 유클리드 거리를 최대화함으로써 SPER를 최소화한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 SPER 근사치를 검증하고, CXNC, 무작위 전력 할당, 고정 전력, 지니-에이디드 벤치마크와의 성능를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 사용자 간섭으로 인해 기존 XOR 기반 네트워크 코딩(CXNC)이 실패하는 비정규 MARC에서 네트워크 코딩 기법이 완전한 두 차수의 다양도 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ2 랜덤 페이딩으로 인해 비정규 결정 영역이 발생하는 비정규 MARC에서 기호 쌍 오류율(SPER)을 정확하고 효율적으로 유도할 수 있는가?
• RQ3 좌표 변환(CT) 방법은 정확도를 유지하면서 SPER 유도의 복잡도를 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 순간 채널 상태 정보 기반 리레이트 전력 적응이 낮은 복잡도로 지니-에이디드 성능에 가까운 코딩 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ5 원천-리레이트 링크의 오류 전파가 종단 간 SPER에 미치는 영향은 무엇이며, 리레이트 위치와 채널 품질에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 전력 스케일링을 적용한 제안된 PANC 기법은 비정규 MARC에서 완전한 두 차수의 다양도 이득을 달성하는 반면, 기존 CXNC는 다중 사용자 간섭으로 인해 오직 일차 다양도 이득을 달성한다.
• 좌표 변환(CT) 방법을 사용해 유도한 SPER는 계산 복잡도를 크게 감소시켰음에도 불구하고 정확한 SPER에 매우 가까운 근사치를 제공하며, 특히 랜덤 채널 계수 하에서 뚜렷한 효과가 있다.
• 최소 최대 최적화 기반 리레이트 전력 적응은 랜덤 또는 고정 전력 할당 기법보다 높은 코딩 이득을 달성한다.
• 고 SNR(10 dB 이상)에서 CT 기반 검출기의 SPER 성능은 최적의 최대 우도(ML) 검출기 성능과 일치함을 확인하여 유도된 폐쇄형 SPER 표현식의 정확성을 입증한다.
• 원천-리레이트 채널이 강할 경우 PANC 기법과 지니-에이디드 벤치마크 간 성능 격차가 가장 작아지며, 유리한 채널 조건에서 오류 전파 영향이 감소함을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과는 최적 전력 수준을 적용한 PANC 기법이 낮은 복잡도로 지니-에이디드 성능에 가까운 성능을 달성함을 확인하였으며, 제안된 최소 최대 최적화 및 CT 기반 SPER 유도의 효과성을 검증한다.