[论文解读] Average Sum-Rate of Distributed Alamouti Space--Time Scheme in Two-Way Amplify-and-Forward Relay Networks

Trung Q. Duong, Chau Yuen+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2010

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于单端双工放大转发（AF）中继网络的分布式阿尔穆蒂空间-时间编码（DASTC），实现了全谱效率。通过使用福克斯H函数，推导出平均和速率的闭式、渐近紧致近似，并通过蒙特卡洛仿真验证，结果表明其性能优于传统的单向DASTC方案。

ABSTRACT

In this paper, we propose a distributed Alamouti space-time code (DASTC) for two-way relay networks employing a single amplify-and-forward (AF) relay. We first derive closed-form expressions for the approximated average sum-rate of the proposed DASTC scheme. Our analysis is validated by a comparison against the results of Monte-Carlo simulations. Numerical results verify the effectiveness of our proposed scheme over the conventional DASTC with one-way communication.

研究动机与目标

• 解决传统单向DASTC方案在双向中继网络中导致的谱效率损失问题。
• 通过使用单端双工终端的分布式阿尔穆蒂编码，在半双工中继系统中实现全双工类似性能。
• 在准静态瑞利衰落信道下，推导出有效信干噪比（SINR）倒数的累积分布函数（CDF）的闭式、渐近紧致近似。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析结果，并与传统单向DASTC方案进行性能比较。

提出的方法

• 提出一种双向放大转发中继协议，其中两个单端双工源通过单端双工AF中继，利用分布式阿尔穆蒂编码交换信息。
• 通过建模中继的放大转发过程并利用信道互易性，推导出每个源端的瞬时端到端信干噪比（SINR）。
• 利用指数随机变量的矩生成函数（MGF）和反拉普拉斯变换，推导出有效SINR倒数的累积分布函数（CDF）。
• 应用福克斯H函数，以闭式表达平均和速率，从而实现精确的性能分析。
• 在推导表达式中，使用高斯超几何函数和修正贝塞尔函数来表示端到端SINR的概率密度函数（PDF）。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析近似结果，确认所推导的和速率表达式的紧密性和准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单端双工终端的双向半双工AF中继网络中，分布式阿尔穆蒂空间-时间编码能否实现全谱效率？
• RQ2 在准静态瑞利衰落信道下，此类DASTC方案的平均和速率是否存在闭式表达式？
• RQ3 平均和速率的渐近近似与精确仿真结果相比有多紧密？
• RQ4 所提出的双向DASTC方案在和速率方面如何优于传统的单向DASTC？

主要发现

• 所提出的双向DASTC方案通过在半双工中继系统中实现双向通信，实现了全谱效率，消除了传统单向中继中50%的谱效率损失。
• 利用福克斯H函数，以闭式推导出平均和速率，提供了数学上可处理且渐近紧密的近似。
• 通过蒙特卡洛仿真验证了所推导的和速率表达式，结果在各种信噪比（SNR）范围内与分析结果高度一致。
• 由于更高效地利用了时频资源，所提方案在平均和速率方面优于传统单向DASTC，尤其在高SNR下表现更优。
• 分析表明，端到端SINR分布可由修正贝塞尔函数与超几何函数的组合精确表征，从而实现精确的性能评估。
• 在给定衰落假设下，所推导的有效SINR倒数的MGF和CDF表达式被证明是精确的，支持了近似框架的有效性。