[论文解读] DMT of Multi-hop Cooperative Networks - Part I: Basic Results

K. Sreeram, S. Birenjith+1 more|ArXiv.org|Aug 2, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 48被引用 22

一句话总结

本文为使用放大转发（AF）协作中继的多跳协作无线网络建立了多样性-复用增益权衡（DMT）的基础性结果。证明了最大多样性增益等于源与汇之间的最小割，最大复用增益等于最小割秩，通过与确定性网络的新型关联实现，配套论文中提供了明确的协议与编码方案。

ABSTRACT

In this two-part paper, the DMT of cooperative multi-hop networks is examined. The focus is on single-source single-sink (ss-ss) multi-hop relay networks having slow-fading links and relays that potentially possess multiple antennas. The present paper examines the two end-points of the DMT of full-duplex networks. In particular, the maximum achievable diversity of arbitrary multi-terminal wireless networks is shown to be equal to the min-cut. The maximum multiplexing gain of arbitrary full-duplex ss-ss networks is shown to be equal to the min-cut rank, using a new connection to a deterministic network. We also prove some basic results including a proof that the colored noise encountered in AF protocols for cooperative networks can be treated as white noise for DMT computations. The DMT of a parallel channel with independent MIMO links is also computed here. As an application of these basic results, we prove that a linear tradeoff between maximum diversity and maximum multiplexing gain is achievable for full-duplex networks with single antenna nodes. All protocols in this paper are explicit and rely only upon amplify-and-forward (AF) relaying. Half duplex networks are studied, and explicit codes for all protocols proposed in both parts, are provided in the companion paper.

研究动机与目标

• 为具有全双工中继和慢衰落信道的单源单汇（ss-ss）多跳协作网络建立基本的DMT结果。
• 表征任意全双工ss-ss网络DMT两端点：最大多样性增益与最大复用增益。
• 证明在任意多终端网络中，最大可实现多样性增益等于源与汇之间的最小割。
• 通过与已知容量的确定性网络之间的新型操作关联，证明在全双工ss-ss网络中，最大复用增益（MMG）等于最小割秩。
• 提供分析工具，如在DMT计算中将有色噪声视为白色噪声，以及推导三角形信道矩阵的下界。

提出的方法

• 通过切割集论证，证明在任意ss-ss网络中，最大多样性增益等于源与汇之间的最小割。
• 通过构建与最近已表征容量的确定性网络之间的操作链路，证明最大复用增益（MMG）等于最小割秩。
• 使用Varadhan引理，通过在复用增益约束下最小化各独立多样性函数之和，计算并行信道的DMT指数。
• 引入一种变换，将确定性网络中的容量最优方案映射为原始衰落网络中实现MMG的方案。
• 在DMT计算中，将放大转发（AF）协议中的有色噪声视为白色噪声，简化分析。
• 推导了三角形信道矩阵的DMT下界，使现有结果的证明更简单，并为网络DMT行为提供了新见解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有慢衰落链路的任意ss-ss多跳协作网络中，最大可实现多样性增益是多少？
• RQ2 在全双工ss-ss网络中，最大复用增益（MMG）是多少，且能否通过构造性协议实现？
• RQ3 能否通过与已知容量的确定性网络的关联来表征衰落网络的DMT？
• RQ4 在基于AF的协作协议中，有色噪声是否影响DMT性能，能否在分析中简化为白色噪声？
• RQ5 在具有全双工中继的任意ss-ss单天线有向无环网络中，能否实现多样性与复用增益之间的线性权衡？

主要发现

• 在任意ss-ss多跳协作网络中，最大多样性增益等于源与汇之间的最小割，确立了根本上界。
• 在任意全双工ss-ss网络中，最大复用增益（MMG）等于最小割秩，且可通过从确定性网络到该网络的映射实现。
• 通过显式AF协议，可在具有全双工中继的任意ss-ss单天线有向无环网络中实现多样性与复用增益之间的线性权衡。
• 计算了由独立MIMO链路组成的并行信道的DMT，表明在复用增益约束下，整体DMT是各独立DMT之和的下确界。
• 在DMT计算中，AF协议中的有色噪声可视为白色噪声，简化分析且不失准确性。
• 推导了三角形信道矩阵的DMT下界，使文献中现有DMT结果的证明可采用替代且通常更简单的形式。