[论文解读] Diversity of MIMO Multihop Relay Channels

Sheng Yang, Jean‐Claude Belfiore|ArXiv.org|Aug 2, 2007

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 46被引用 75

一句话总结

本文在高信噪比下分析了固定网络规模的MIMO多跳中继信道中的分集-复用增益权衡（DMT）。提出了一种基于并行放大转发（AF）路径的翻转转发（FF）方案，该方案在分布式多跳网络中同时实现了最大分集增益和复用增益，同时引入了近似通用的空间-时间编码方案，以实现所承诺的DMT性能。

ABSTRACT

We consider slow fading relay channels with a single multi-antenna source-destination terminal pair. The source signal arrives at the destination via N hops through N-1 layers of relays. We analyze the diversity of such channels with fixed network size at high SNR. In the clustered case where the relays within the same layer can have full cooperation, the cooperative decode-and-forward (DF) scheme is shown to be optimal in terms of the diversity-multiplexing tradeoff (DMT). The upper bound on the DMT, the cut-set bound, is attained. In the non-clustered case, we show that the naive amplify-and-forward (AF) scheme has the maximum multiplexing gain of the channel but is suboptimal in diversity, as compared to the cut-set bound. To improve the diversity, space-time relay processing is introduced through the parallel partition of the multihop channel. The idea is to let the source signal go through K different "AF paths" in the multihop channel. This parallel AF scheme creates a parallel channel in the time domain and has the maximum diversity if the partition is properly designed. Since this scheme does not achieve the maximum multiplexing gain in general, we propose a flip-and-forward (FF) scheme that is built from the parallel AF scheme. It is shown that the FF scheme achieves both the maximum diversity and multiplexing gains in a distributed multihop channel of arbitrary size. In order to realize the DMT promised by the relaying strategies, approximately universal coding schemes are also proposed.

研究动机与目标

• 表征在高信噪比下固定网络规模的MIMO多跳中继信道中的基本分集-复用增益权衡（DMT）。
• 在中继节点按簇分组（即同一层内中继可完全协作）的情况下，识别最优中继策略。
• 解决传统放大转发（AF）在非簇状多跳网络中分集增益性能次优的问题。
• 设计一种分布式中继方案，使其在任意规模的多跳网络中同时实现最大分集增益和复用增益。
• 设计近似通用的空间-时间编码方案，以在任意衰落统计特性下实现所提中继策略所承诺的DMT性能。

提出的方法

• 利用信息论中的割集界推导出DMT的上界，作为性能基准。
• 分析簇状情况下的协作解码转发（DF）方案，证明其达到割集界，因此在DMT上是最优的。
• 通过将多跳信道划分为K个独立的AF路径，引入并行AF方案，形成时域并行信道结构。
• 提出一种翻转转发（FF）方案，结合并行AF结构与中继选择机制，实现全分集增益和复用增益。
• 基于块对角化与全速率构造方法，设计近似通用的空间-时间码，以在一般衰落统计下实现DMT。
• 利用大随机矩阵理论与奇异值分解，分析并行AF与FF方案中有效信道矩阵的特征值分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高信噪比下，固定网络规模的MIMO多跳中继信道中的基本分集-复用增益权衡（DMT）是什么？
• RQ2 在中继节点按簇分组（同一层内中继可完全协作）的多跳中继网络中，DMT的割集界是否可达？
• RQ3 为何在非簇状多跳网络中，简单的放大转发（AF）方案在分集性能上存在次优性？
• RQ4 在一般多跳中继网络中，能否设计一种分布式中继方案，使其同时实现最大分集增益与复用增益？
• RQ5 如何设计空间-时间码，使其在任意衰落分布下近似实现中继策略所承诺的DMT性能？

主要发现

• 在簇状情况下，协作解码转发（DF）方案达到割集界，证明其在DMT上是最优的。
• 简单的放大转发（AF）方案虽达到最大可能的复用增益，但在分集性能上仍低于割集界。
• 所提出的并行AF方案通过合理划分多跳信道为K个独立AF路径，可在设计得当时实现最大分集增益。
• 基于并行AF结构构建的翻转转发（FF）方案，在任意规模的分布式多跳网络中，同时实现了最大分集增益与复用增益。
• 通过块对角化与全速率方法构造的近似通用空间-时间编码方案，在一般衰落统计下实现了并行信道的DMT性能。
• 证明了并行AF方案的DMT等价于瑞利产品（RP）信道的DMT，该结果通过大随机矩阵理论进行分析。