[论文解读] Interference Two-Way Relay Channel with Three End-nodes

Erhan Yilmaz, Raymond Knopp+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新型的干扰双向中继信道（ITWRC）模型，包含三个终端节点——两个用户设备（UE）和一个全双工基站（BS）——通过中继节点协作，实现上行链路与下行链路的并发通信。该文采用解码转发（DF）方案，结合与不结合速率分割，以及部分-DF加压缩转发（pDF+CF）的中继策略，推导出可实现速率区域，通过利用干扰作为辅信息并结合中继协作，显著提升了频谱效率。

ABSTRACT

In this paper, we study a communication system consisting of three end-nodes, e.g. a single transceiver base station (BS), one transmitting and one receiving user equipments (UEs), and a common two-way relay node (RN) wherein the full-duplex BS transmits to the receiving UE in downlink direction and receives from the transmitting UE in uplink direction with the help of the intermediate full-duplex RN. We call this system model as interference two-way relay channel (ITWRC) with three end-nodes. Information theoretic bounds corresponding this system model are derived and analyzed so as to better understand the potentials of exploiting RN in future communication systems. Specifically, achievable rate regions corresponding to decode-and-forward (DF) relaying with and without rate splitting, and partial-DF and compress-and-forward (pDF+CF) relaying strategies are derived.

研究动机与目标

• 建立并分析一种新型干扰双向中继信道（ITWRC）模型，其中全双工基站（BS）同时与两个UE在上行和下行方向通信。
• 研究共信道上行链路传输产生的干扰在BS端如何被处理，以及能否作为辅信息加以利用，以提升系统速率。
• 为适用于此混合干扰与双向中继场景的新型中继策略，推导信息论界和可实现速率区域。
• 评估在该系统模型中，解码转发（DF）结合与不结合速率分割，以及部分-DF加压缩转发（pDF+CF）中继策略的性能增益。

提出的方法

• 提出一种离散无记忆ITWRC模型，包含三个终端节点：全双工BS、一个上行链路UE和一个下行链路UE，所有节点通过全双工中继节点（RN）连接。
• 通过在上行链路UE处采用解码转发（DF）中继，结合与不结合速率分割，利用联合检测与分组技术，推导出可实现速率区域。
• 提出一种混合中继策略，结合部分-DF与压缩转发（pDF+CF），其中RN转发其接收信号的压缩版本，并解码部分消息。
• 采用块马尔可夫编码方案，结合叠加编码、分组与联合典型性检测，实现中继信道上的可靠通信。
• 应用割集外 bound 建立可实现速率区域的理论极限，用于对比分析。
• 在BS与接收UE处采用基于典型性的检测方法，利用来自中继的辅信息及已知的发射信号，实现干扰消除。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有上行与下行链路并发通信的全双工中继辅助蜂窝系统中，如何有效管理来自同频上行链路传输的干扰？
• RQ2 在所提出的ITWRC模型中，解码转发（DF）中继结合与不结合速率分割的可实现速率区域是什么？
• RQ3 在干扰丰富的中继环境中，部分-DF与压缩转发（pDF+CF）中继策略是否能比传统DF实现更高的频谱效率？
• RQ4 基站能在多大程度上利用自身的发射信号作为辅信息，以提升接收端的解码性能？

主要发现

• 本文推导出结合速率分割的解码转发（DF）中继可实现速率区域，结果表明：将上行链路消息划分为公共与私有部分，可提升频谱效率，从而在中继与接收端实现更优的干扰消除。
• 也推导出不结合速率分割的DF可实现速率区域，为性能比较提供基准，结果表明在高干扰环境下，速率分割可带来显著的速率增益。
• 混合pDF+CF策略的速率区域大于纯DF，尤其在中继无法可靠解码全部消息时，通过部分解码与接收信号压缩的结合，显著提升容量。
• 推导出割集外 bound，为最大可实现和速率提供理论极限，有助于验证所提中继策略的性能。
• 分析表明，基站可利用自身发射信号作为接收端的辅信息，实现更有效的干扰消除，从而提升可实现的下行链路速率。
• 数值结果（由速率区域的推导与比较隐含）表明，所提策略，尤其是pDF+CF与结合速率分割的DF，在干扰受限场景中，相比传统方案，在和速率与频谱效率方面均表现更优。