[论文解读] A Half-Duplex Cooperative Scheme with Partial Decode-Forward Relaying

Ahmad Abu Al Haija, Mai Vu|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在三时隙内使用部分解码-前向协作中继的半双工协作通信方案，以提升双用户多址接入信道中的频谱效率。通过采用叠加编码和跨时隙联合最大似然检测，该方案的速率区域大于经典多址接入信道，并且随着用户间信道质量的提升，其性能趋近于全双工系统。

ABSTRACT

In this paper, we present a new cooperative communication scheme consisting of two users in half-duplex mode communicating with one destination over a discrete memoryless channel. The users encode messages in independent blocks and divide the transmission of each block into 3 time slots with variable durations. Cooperation is performed by partial decodeforward relaying over these 3 time slots. During the first two time slots, each user alternatively transmits and decodes, while during the last time slot, both users cooperate to send information to the destination. An achievable rate region for this scheme is derived using superposition encoding and joint maximum likelihood (ML) decoding across the 3 time slots. An example of the Gaussian channel is treated in detail and its achievable rate region is given explicitly. Results show that the proposed half-duplex scheme achieves significantly larger rate region than the classical multiple access channel and approaches the performance of a full-duplex cooperative scheme as the inter-user channel quality increases.

研究动机与目标

• 设计一种实用的半双工协作通信方案，以提升双用户多址接入信道中的频谱效率。
• 通过引入实际无线系统中常见的半双工约束，解决现有全双工协作方案的局限性。
• 推导一种结合多址接入信道与广义反馈、部分解码-前向协作的新型三时隙半双工方案的可实现速率区域。
• 证明所提出的方案相比经典多址接入信道具有更大的速率区域，并且随着用户间信道质量的提高，其性能趋近于全双工系统。

提出的方法

• 将传输过程划分为三个时隙，时长可变，以满足半双工约束，其中用户在前两个时隙中交替进行发送与解码。
• 在第三个时隙中，两个用户通过联合发送至接收端，采用部分解码-前向协作中继。
• 采用叠加编码和跨全部三个时隙的联合最大似然检测，以提高可靠性并实现更高传输速率。
• 编码方案采用独立块传输，不依赖块马尔可夫性，从而在每个块结束时实现解码，降低延迟。
• 利用随机编码方法和基于Gallager技术的错误概率界（参数为ρ）推导出可实现速率区域。
• 针对高斯信道显式计算速率区域，给出可实现速率的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用部分解码-前向协作的半双工协作方案能否实现大于经典多址接入信道的速率区域？
• RQ2 随着用户间信道质量的提升，所提出的半双工方案性能与全双工协作方案相比如何？
• RQ3 所提出的三时隙半双工方案在采用叠加编码和联合ML检测时，其可实现速率区域是什么？
• RQ4 可变时隙时长的使用如何影响在半双工约束下的速率区域与性能？
• RQ5 与基于块马尔可夫的方案相比，所提出的方案能否在降低延迟的前提下实现可靠通信？

主要发现

• 所提出的半双工协作方案相比经典多址接入信道，实现了显著更大的速率区域。
• 随着用户间信道质量的提升，所提方案的可实现速率区域趋近于全双工协作方案的性能。
• 对于高斯信道，显式推导出可实现速率区域，表明该方案可支持高于非协作多址接入信道的和速率。
• 跨全部三个时隙采用联合最大似然检测，确保在块长增加时错误概率趋于零。
• 错误概率界随块长呈指数衰减，证实了所推导速率区域的可实现性。
• 该方案通过结合类似反馈的协作与部分解码增益，优于经典半双工中继与多址接入信道方案。