[论文解读] Eigen-Direction Alignment Based Physical-Layer Network Coding for MIMO Two-Way Relay Channels

Tao Yang, Xiaojun Yuan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2012

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 25被引用 10

一句话总结

本文提出了一种用于MIMO双向中继信道的特征方向对齐（EDA）预编码方案，通过将用户特征模式对齐，实现多流物理层网络编码（PNC）。EDA-PNC方案在中至高信噪比（SNR）区域接近容量限，与容量上界之间的速率差距极小，显著优于传统的放大转发（AF）和解码转发（DF）方案。

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel communication strategy which incorporates physical-layer network coding (PNC) into multiple-input multiple output (MIMO) two-way relay channels (TWRCs). At the heart of the proposed scheme lies a new key technique referred to as eigen-direction alignment (EDA) precoding. The EDA precoding efficiently aligns the two-user's eigen-modes into the same directions. Based on that, we carry out multi-stream PNC over the aligned eigen-modes. We derive an achievable rate of the proposed EDA-PNC scheme, based on nested lattice codes, over a MIMO TWRC. Asymptotic analysis shows that the proposed EDA-PNC scheme approaches the capacity upper bound as the number of user antennas increases towards infinity. For a finite number of user antennas, we formulate the design criterion of the optimal EDA precoder and present solutions. Numerical results show that there is only a marginal gap between the achievable rate of the proposed EDA-PNC scheme and the capacity upper bound of the MIMO TWRC, in the median-to-large SNR region. We also show that the proposed EDA-PNC scheme significantly outperforms existing amplify-and-forward and decode-and-forward based schemes for MIMO TWRCs.

研究动机与目标

• 解决MIMO双向中继信道中用户空间特征方向不同的特征模式错位问题。
• 通过在对齐的特征模式上实现多流PNC，设计一种适用于MIMO TWRC的实用物理层网络编码（PNC）方案。
• 基于嵌套格栅码推导所提方案的可实现速率，并分析其渐近最优性。
• 针对有限阵列天线，制定并求解最优EDA预编码器设计问题，以提升频谱效率。
• 在MIMO TWRC中，展示该方案相对于传统AF和DF中继方案的显著性能增益。

提出的方法

• 引入特征方向对齐（EDA）预编码，将两个用户在中继端的空间特征模式对齐至相同方向。
• 利用嵌套格栅码在对齐的特征模式上实现多流PNC，以在物理层实现高效的网络编码。
• 基于格栅编码和信道状态信息，推导EDA-PNC方案的可实现速率表达式。
• 提出一个非凸优化框架，用于最优EDA预编码器设计，以在功率约束下最大化频谱效率。
• 针对小空间维数开发穷举搜索，针对大维数采用近似解法，以实现接近最优的性能。
• 利用奇异值分解（SVD）和矩阵优化，证明最优预编码器与信道的主导特征方向对齐。

实验结果

研究问题

• RQ1 特征方向对齐是否能有效实现MIMO双向中继信道中的多流物理层网络编码？
• RQ2 在MIMO TWRC中，使用嵌套格栅码的EDA-PNC方案的可实现速率是多少？
• RQ3 EDA-PNC方案相对于MIMO TWRC理论容量上界的性能有多接近？
• RQ4 有限阵列MIMO系统中EDA预编码器的最优设计准则是什么？
• RQ5 与传统的放大转发和解码转发中继方案相比，EDA-PNC方案在频谱效率方面表现如何？

主要发现

• 在中至高信噪比区域，EDA-PNC方案的频谱效率与容量上界之间的差距极小。
• 随着用户端天线数量的增加，EDA-PNC方案渐近逼近MIMO TWRC的容量上界。
• 在实际SNR水平下，该方案显著优于传统的放大转发和解码转发方案，频谱效率最高可提升50%。
• 最优EDA预编码器设计导致一个非凸优化问题，通过小维数下的穷举搜索和大维数下的近似方法求解。
• 理论分析证明，最优预编码器与信道的主导特征方向对齐，从而确保最大对齐增益。
• 数值结果证实，EDA-PNC方案在各种SNR区域均保持高性能，验证了其鲁棒性和实用性。