[論文レビュー] Transmission Schemes for Four-Way Relaying in Wireless Cellular Systems

Huaping Liu, Petar Popovski+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2012

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、2つの移動局（MS）がアンチポーラルリレーステーション（RS）を介して基地局（BS）と双方向に通信するセルラー網における4方向リレーリングの2段階送信方式を提案する。同時上行リンク/下行リンク送信とネットワーク符号化を活用することで、特にデコードアンドフォワード（DF）リレーリングにおいて、周波数効率の顕著な向上が達成され、従来の時分割方式や干渉なし方式と比較して、空間再利用の向上とより広い実現可能レート領域を実現する。

ABSTRACT

Two-way relaying in wireless systems has initiated a large research effort during the past few years. While one-way relay with a single data flow introduces loss in spectral efficiency due to its half-duplex operation, two-way relaying based on wireless network coding regains part of this loss by simultaneously processing the two data flows. In a broader perspective, the two-way traffic pattern is rather limited and it is of interest to investigate other traffic patterns where such a simultaneous processing of information flows can bring performance advantage. In this paper we consider a scenario beyond the usual two-way relaying: a four-way relaying, where each of the two Mobile Stations (MSs) has a two-way connection to the same Base Station (BS), while each connection is through a dedicated Relay Station (RS). While both RSs are in the range of the same BS, they are assumed to have antipodal positions within the cell, such that they do not interfere with each other. We introduce and analyze a two-phase transmission scheme to serve the four-way traffic pattern defined in this scenario. Each phase consists of combined broadcast and multiple access. We analyze the achievable rate region of the new schemes for two different operational models for the RS, Decode-and-Forward (DF) and Amplify-and-Forward (AF), respectively. We compare the performance with a state-of-the-art reference scheme, time sharing is used between the two MSs, while each MS is served through a two-way relaying scheme. The results indicate that, when the RS operates in a DF mode, the achievable rate regions are significantly enlarged. On the other hand, for AF relaying, the gains are rather modest. The practical implication of the presented work is a novel insight on how to improve the spatial reuse in wireless cellular networks by coordinating the transmissions of the antipodal relays.

研究の動機と目的

• 従来の半デュプレックス1または2方向リレーリングの周波数効率の限界を是正するため、新しいトラフィックパターンを検討すること。
• 協調リレーステーションを介して4つのデータフロー（2つの双方向リンク）を同時に処理することによる性能向上を調査すること。
• 送信と多重アクセスの段階を組み合わせた2段階送信方式を設計し、4方向リレーリング環境下での周波数効率を最大化すること。
• 提案方式を従来の時分割方式および干渉なし方式と比較し、異なるリレープロトコル下での実現可能レート領域に焦点を当てて評価すること。
• アンチポーラルリレーステーションの配置を用いたセルラー網における空間再利用と干渉調整の理論的洞察を提供すること。

提案手法

• 2段階送信方式を設計する：段階1では、BSが2つのRSに下行ブロードキャストを行い、MSがRSに上行多重アクセスを行う。段階2では、役割を逆転させ、RSがMSに送信し、BSが受信する。
• 段階1でBSにスーパーポジション符号化を適用し、両方のRSへの同時送信を可能にし、レートスプリットと干渉管理を実現する。
• RSでネットワーク符号化の原則を適用し、上行信号を統合的に復号・再符号化して転送する。この際、チャネル状態情報を利用する。
• 情報理論的ガウスコードブックを用いて、2つのリレーモデル（デコードアンドフォワード（DF）とアンプリファイアンドフォワード（AF））下での実現可能レート領域を分析する。
• 段階2で、BSにおける多重アクセス（MA）領域のコーナーポイント間の時間共有を用いて、MA容量領域全体を達成する。
• 逐次復号と干渉キャンセリゼーション技術を用いて、段階2のレートに対する上界の達成可能性を導出し、証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンチポーラルRSを介して2つの双方向MS-BSリンクを有する4方向リレーリング環境は、従来の時分割方式や干渉なし方式と比較して、より高い周波数効率を達成できるか？
• RQ2 2段階送信方式におけるネットワーク符号化の活用は、従来のリレープロトコルと比較して、実現可能レート領域をどのように改善するか？
• RQ3 本4方向リレーリング構成下で、デコードアンドフォワード（DF）リレーリングとアンプリファイアンドフォワード（AF）リレーリングの性能向上はどの程度か？
• RQ4 段階2におけるBSの多重アクセス容量領域全体は、MA領域の最適コードワード間の時間共有によって達成可能か？
• RQ5 協調送信を行うアンチポーラルリレーステーションを用いることで、本提案方式はセルラー網における空間再利用をどの程度向上できるか？

主な発見

• デコードアンドフォワード（DF）リレーリング下では、従来の時分割方式と比較して、提案方式が顕著に広い実現可能レート領域を達成する。
• アンプリファイアンドフォワード（AF）リレーリング下では、従来方式との性能向上は限定的であり、本構成下ではDFがより効果的であることが示唆される。
• 段階2におけるBSの多重アクセス（MA）容量領域全体は、MA領域のコーナーポイントを達成するコードワード間の時間共有によって達成可能である。
• MSにおける下行レート $ R_i^d $ は、それぞれのチャネル $ h_{i1} $ の単一ユーザー容量に達しており、個々のリンクにおける最適性能が確認される。
• 上行レート $ R_i^u $ は、共同復号と干渉キャンセリゼーションにより最適化され、BSにおける有効な信号対干渉加法ノイズ比に依存するレートを達成する。
• 段階2のレートに対する理論的上界が、逐次復号と干渉キャンセリゼーション技術を用いて達成可能であることが証明され、提示された仮定下での送信戦略の最適性が裏付けられる。