[论文解读] Full-Duplex Relaying with Half-Duplex Relays

Song-Nam Hong, Giuseppe Caire|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2013

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 26被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种使用两个半双工中继的虚拟全双工中继方案，中继在发送和接收之间交替，使源节点每时隙都能发送新消息。结果表明，量化转发（QMF）和计算转发（CoF）在低复杂度下可实现高数据速率，其中QMF避免了联合解码，CoF在信道增益波动≤3dB时可实现与跳数无关的恒定速率。

ABSTRACT

We consider "virtual" full-duplex relaying by means of half-duplex relays. In this configuration, each relay stage in a multi-hop relaying network is formed by at least two relays, used alternatively in transmit and receive modes, such that while one relay transmits its signal to the next stage, the other relay receives a signal from the previous stage. With such a pipelined scheme, the source is active and sends a new information message in each time slot. We consider the achievable rates for different coding schemes and compare them with a cut-set upper bound, which is tight in certain conditions. In particular, we show that both lattice-based Compute and Forward (CoF) and Quantize reMap and Forward (QMF) yield attractive performance and can be easily implemented. In particular, QMF in this context does not require "long" messages and joint (non-unique) decoding, if the quantization mean-square distortion at the relays is chosen appropriately. Also, in the multi-hop case the gap of QMF from the cut-set upper bound grows logarithmically with the number of stages, and not linearly as in the case of "noise level" quantization. Furthermore, we show that CoF is particularly attractive in the case of multi-hop relaying, when the channel gains have fluctuations not larger than 3dB, yielding a rate that does not depend on the number of relaying stages. In particular, we argue that such architecture may be useful for a wireless backhaul with line-of-sight propagation between the relays.

研究动机与目标

• 设计一种基于半双工中继的实用虚拟全双工中继架构，以克服全双工中继的自干扰和硬件限制。
• 分析基于格编码方案（如量化转发QMF和计算转发CoF）的多跳中继网络中的可实现速率。
• 评估QMF和CoF相较于传统半双工中继的性能增益，尤其在谱效率和对信道变化的鲁棒性方面。
• 证明当量化失真选择得当时，QMF可在无需长消息或联合解码的情况下实现接近容量的性能。
• 表明当信道增益波动≤3dB时，CoF可保持与中继级数无关的恒定速率，使其特别适用于视 Line-of-Sight 回传网络。

提出的方法

• 采用流水线化的双中继方案，每个时隙中一个中继发送而另一个接收，每时隙交替，以模拟全双工操作。
• 应用量化转发（QMF）并结合量化噪声整形，使可靠解码无需联合解码，通过选择最小化误码概率的失真水平实现。
• 采用计算转发（CoF）与格码，使中继能够可靠解码发送信号的整数线性组合，从而实现高效的多跳转发。
• 通过随机编码论证和基于典型性的误码分析推导可实现速率，利用联合典型性和熵功率不等式界定误码概率。
• 与紧致割集上界进行比较，表明QMF与容量的差距随中继级数的增加呈对数增长，而非线性增长。
• 采用简化模型：中继对收到的信号进行量化并转发量化版本，失真由量化噪声方差控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用半双工中继构建虚拟全双工中继系统，以在不引入全双工硬件复杂度的情况下实现高谱效率？
• RQ2 在该虚拟全双工设置中，QMF的性能与传统半双工中继相比如何，尤其是在解码复杂度和码块长度要求方面？
• RQ3 当信道增益波动不超过3dB时，CoF是否能在多跳中保持恒定速率？这一特性对回传网络为何重要？
• RQ4 在该流水线双中继架构中，中继间干扰与可实现速率之间的基本权衡是什么？
• RQ5 QMF能否在无需联合解码或长块长度的情况下实现接近容量的性能？何种量化策略可实现这一目标？

主要发现

• QMF每时隙的速率满足 $ R < \frac{1}{2} \log\left(1 + \frac{{\sf SNR}}{1 + \sigma_q^2}\right) $，当量化失真 $ \sigma_q^2 $ 选择适当时，性能接近割集上界。
• QMF与割集上界之间的差距随中继级数的增加呈对数增长，而传统按噪声水平量化时则呈线性增长。
• 当信道增益波动不超过3dB时，CoF可实现与中继级数无关的恒定速率，原因在于其能可靠解码整数线性组合。
• QMF无需联合（非唯一）解码或长消息；相反，其采用一种可实现高效、串行解码且复杂度低的量化策略。
• 所提出的虚拟全双工方案实现了与理想全双工中继相当的谱效率，在实际中继间干扰条件下仍优于半双工中继。
• 该系统特别适用于视 Line-of-Sight 无线回传网络，因信道稳定性和低路径损耗有利，可实现可扩展、高吞吐量的多跳链路。