[论文解读] DMT of Multi-hop Cooperative Networks - Part II: Half-Duplex Networks with Full-Duplex Performance

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

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 16被引用 25

一句话总结

本文研究了半双工多跳协作网络中的速率-分集增益权衡（DMT），表明K-并行路径（KPP）和分层网络通过仅使用放大-转发中继和显式调度即可达到切口集界上的DMT——与全双工性能相当。本文证明，对于这些网络，半双工约束不会造成任何DMT损失，并通过循环除法代数构造了短块长码以实现最优性能。

ABSTRACT

We consider single-source single-sink (ss-ss) multi-hop relay networks, with slow-fading links and single-antenna half-duplex relay nodes. In a companion paper, we established some basic results which laid the foundation for the results presented here. In the present paper, we consider two families of networks of half-duplex networks. KPP networks may be viewed as the union of K node-disjoint parallel relaying paths. Generalizations of these networks include KPP(I) networks, which permit interference between paths and KPP(D) networks, which possess a direct link between source and sink. We characterize the DMT of these families of networks completely and show that they can achieve the cut-set bound, thus proving that full-duplex performance can be obtained even in the presence of the half-duplex constraint. We then consider layered networks, and prove that a linear DMT between maximum diversity and maximum multiplexing gain is achievable. All protocols in this paper are explicit and use only amplify-and-forward relaying. We also construct codes that achieve the optimal DMT for all the proposed schemes. Two key implications of the results in the paper are that the half-duplex constraint does not entail any rate loss for a large class of cooperative networks and that AF protocols are often optimal.

研究动机与目标

• 确定多跳中继网络中的半双工操作是否相比全双工系统造成DMT性能损失。
• 表征在半双工约束下K-并行路径（KPP）和分层网络的DMT。
• 建立切口集上界在DMT上的可实现性，表明半双工操作不会导致速率损失。
• 设计仅使用放大-转发（AF）中继的显式、低复杂度协议，以实现最优DMT。
• 基于循环除法代数构造短块长空时码，使其在所有所提方案中达到最优DMT。

提出的方法

• 将KPP网络分析为K条节点不相交并行路径的并集，并推广至允许干扰的KPP(I)和存在直连链路的KPP(D)。
• 通过路径间时分复用调度实现最优复用增益，证明当K > 3时，单天线KPP网络的最大复用增益为1是可实现的。
• 采用线性规划方法表征路径激活比例的可行集，证明每条路径激活时间不超过1/3时的所有比例均是可行的。
• 将切口集界作为DMT的上界，并通过显式调度和AF协议证明其在KPP和分层网络中的可实现性。
• 基于循环除法代数构造短块长码，实现最优DMT，确保在任意衰落信道上实现完全分集。
• 证明在MIMO瑞利衰落信道上实现全分集的码在一般衰落信道上也能实现全分集，从而扩展了码的应用范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 半双工多跳中继网络能否实现与全双工网络相同的DMT？
• RQ2 在半双工操作下，K-并行路径（KPP）网络的DMT是多少？能否达到切口集界？
• RQ3 在分层网络中，最大分集增益与复用增益为1之间的线性DMT是否可实现？在何种条件下？
• RQ4 仅使用简单的放大-转发（AF）协议能否在半双工网络中实现最优DMT，而无需复杂编码或调度？
• RQ5 基于循环除法代数的短块长空时码能否在这些网络中实现最优DMT？

主要发现

• 对于K > 3的KPP网络，DMT达到切口集上界，证明半双工操作不会造成任何DMT损失。
• 在少于四层中继的单天线全连接分层网络中，DMT为线性且匹配切口集界，完全表征了该类网络的DMT。
• 通过路径间显式时分复用调度，半双工KPP网络可实现最大复用增益1。
• 所有所提协议仅使用放大-转发（AF）中继，表明简单中继方案足以实现最优DMT。
• 基于循环除法代数的短块长码在所有所提方案中均实现最优DMT，支持实际应用。
• 在MIMO瑞利衰落信道上实现全分集的码在任意衰落信道上也能实现全分集，显著拓宽了码的适用范围。