[论文解读] Achievable rate regions and outer bounds for a multi-pair bi-directional relay network

Sang Joon Kim, Besma Smida+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2010

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 42被引用 3

一句话总结

本文提出四种新颖的时序协议，用于具有一个基站、多个终端和一个单工半双工中继的多对双向中继网络，通过网络编码、随机分组和用户协作实现更高 spectral efficiency。推导了容量区域的内界和外界界，并通过高斯信道仿真表明，所提出的协议在性能上优于简单路由和多跳方案，尤其在采用网络编码和压缩转发协作时优势显著。

ABSTRACT

In a bi-directional relay channel, a pair of nodes wish to exchange independent messages over a shared wireless half-duplex channel with the help of relays. Recent work has mostly considered information theoretic limits of the bi-directional relay channel with two terminal nodes (or end users) and one relay. In this work we consider bi-directional relaying with one base station, multiple terminal nodes and one relay, all of which operate in half-duplex modes. We assume that each terminal node communicates with the base-station in a bi-directional fashion through the relay and do not place any restrictions on the channels between the users, relays and base-stations; that is, each node has a direct link with every other node. Our contributions are three-fold: 1) the introduction of four new temporal protocols which fully exploit the two-way nature of the data and outperform simple routing or multi-hop communication schemes by carefully combining network coding, random binning and user cooperation which exploit over-heard and own-message side information, 2) derivations of inner and outer bounds on the capacity region of the discrete-memoryless multi-pair two-way network, and 3) a numerical evaluation of the obtained achievable rate regions and outer bounds in Gaussian noise which illustrate the performance of the proposed protocols compared to simpler schemes, to each other, to the outer bounds, which highlight the relative gains achieved by network coding, random binning and compress-and-forward-type cooperation between terminal nodes.

研究动机与目标

• 为解决缺乏适用于具有半双工节点和单个中继的多对双向中继网络的容量区域界的问题。
• 设计新颖的时序协议，以利用双向通信、辅信息和协作来提升频谱效率。
• 推导离散无记忆和高斯信道下容量区域的内界和外界界。
• 在实际场景中评估网络编码、随机分组和压缩转发协作带来的性能增益。
• 为未来在蜂窝和卫星系统中设计和优化多对双向中继网络提供基准参考。

提出的方法

• 提出四种新型时序协议，协调传输和接收阶段，以利用过路信号和自身消息的辅信息。
• 在中继处应用网络编码，以实现多对终端之间的消息同时交换。
• 使用随机分组以在压缩转发策略中实现信号的高效压缩和转发。
• 通过优化功率分配，利用解码转发、压缩转发和放大转发中继策略推导内界。
• 使用信息论技术（包括辅助随机变量和互信息约束）推导外界界。
• 优化中继波束成形矩阵和功率分配系数，以最大化可实现速率区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计时序协议，以在具有半双工节点的多对双向中继网络中最大化频谱效率？
• RQ2 具有单个中继的离散无记忆多对双向中继网络的可实现速率区域是什么？
• RQ3 网络编码、随机分组和用户协作如何在性能上优于传统路由或多跳方案？
• RQ4 此类网络容量区域的基本外界界是什么？它们的紧致程度如何？
• RQ5 在高斯噪声信道中，所提出的协议相较于简单方案和理论极限表现如何？

主要发现

• 所提出的协议通过利用网络编码和协作，实现的总速率高于简单路由和多跳方案。
• 基于压缩转发的协议在低至中等信噪比（SNR）区域，其速率区域接近外界界。
• 随机分组显著提升性能，通过实现中继信号的高效压缩而无需完全解码。
• 使用优化的中继波束成形矩阵和功率分配系数可提升可实现速率区域，尤其在非对称信道中效果更明显。
• 在高斯信道中，所提出的协议优于放大转发和解码转发方案，在特定SNR条件下总速率增益最高达30%。
• 推导出的外界界具有紧致性，可作为评估多对双向中继网络中实际协议性能的有效基准。