[论文解读] Adaptive Mode Selection in Bidirectional Buffer-aided Relay Networks with Fixed Transmit Powers

Vahid Jamali, Nikola Zlatanov+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2013

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在固定发射功率下，基于瞬时信道状态信息（CSI）的缓冲辅助双向中继网络自适应模式选择协议，动态选择六种传输模式（四种点对点、多址接入和广播）以最大化和速率。最优策略选择瞬时速率最高的模式，仿真结果表明，通过利用所有可用的传输模式（包括以往研究忽略的多址接入模式），该协议优于现有协议。

ABSTRACT

We consider a bidirectional network in which two users exchange information with the help of a buffer-aided relay. In such a network without direct link between user 1 and user 2, there exist six possible transmission modes, i.e., four point-to-point modes (user 1-to-relay, user 2-to-relay, relay-to-user 1, relay-to-user 2), a multiple access mode (both users to the relay), and a broadcast mode (the relay to both users). Because of the buffering capability at the relay, the transmissions in the network are not restricted to adhere to a predefined schedule, and therefore, all the transmission modes in the bidirectional relay network can be used adaptively based on the instantaneous channel state information (CSI) of the involved links. For the considered network, assuming fixed transmit powers for both the users and the relay, we derive the optimal transmission mode selection policy which maximizes the sum rate. The proposed policy selects one out of the six possible transmission modes in each time slot based on the instantaneous CSI. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed protocol compared to existing protocols.

研究动机与目标

• 解决现有双向中继协议中因使用固定传输调度且忽略瞬时CSI而导致的频谱效率不高的问题。
• 设计一种最优的传输模式选择策略，以在具有缓冲辅助中继的三节点半双工双向中继网络中最大化和速率。
• 证明在选择策略中包含多址接入模式可提升性能，优于仅考虑点对点和广播模式的协议。
• 表明最优策略基于实时CSI从全部六种传输模式（四种点对点、多址接入、广播）中选择，即使发射功率固定。

提出的方法

• 系统模型描述了一个三节点双向中继网络，用户之间无直接链路，采用缓冲辅助中继存储并转发数据。
• 定义了六种传输模式：四种点对点模式（U1→R，U2→R，R→U1，R→U2）、一种多址接入模式（U1,U2→R）和一种广播模式（R→U1,U2）。
• 通过凸优化与对偶理论推导最优模式选择策略，在固定发射功率下最大化平均和速率。
• 策略基于实时CSI，在每个时隙选择瞬时速率最高的模式，采用拉格朗日对偶方法求解优化问题。
• 推导出对偶变量 μ₁ 和 μ₂ 的阈值区域，以确定候选模式集合，当对偶变量处于边界（μ₁=0,1 或 μ₂=0,1）时，采用概率选择以实现最优和速率。
• 该解确保通过从全部六种模式中选择（包括多址接入模式）实现最优和速率，而此前的研究未使用该模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于瞬时CSI的自适应模式选择能否在固定发射功率的缓冲辅助双向中继网络中提升和速率？
• RQ2 多址接入模式是否对最优性能至关重要，还是仅使用点对点和广播模式已足够？
• RQ3 与采用固定传输调度的现有协议相比，最优模式选择策略表现如何？
• RQ4 当所有六种传输模式均可用时，缓冲辅助中继对可实现和速率有何影响？

主要发现

• 所提出的自适应模式选择策略通过基于瞬时CSI动态选择全部六种传输模式，实现了比现有协议更高的和速率。
• 在最优策略中，多址接入模式以非零概率被选择，证明其对性能增益具有重要意义。
• 最优策略通过凸优化与对偶理论推导得出，形成基于阈值的时隙模式选择规则。
• 当对偶变量 μ₁ 和 μ₂ 处于边界（0 或 1）时，需在候选模式间采用概率选择以实现最优和速率。
• 所提协议优于限制模式选择仅限三种模式（两种点对点和广播）的现有方案，尤其在衰落环境中表现更优。
• 该协议在固定发射功率下为最优，通过充分利用网络中所有可用自由度，实现了最大可能的和速率。