[论文解读] Multi-Antenna Cooperative Wireless Systems: A Diversity-Multiplexing Tradeoff Perspective

Melda Yüksel, Elza Erkip|ArXiv.org|Sep 21, 2006

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 58被引用 24

一句话总结

本文分析了多天线协作无线网络中的复用增益-分集增益权衡（DMT），在全双工与半双工中继约束下比较了解码转发（DF）与压缩转发（CF）协议。研究结果表明，CF在全双工与半双工场景下均为DMT最优，而DF在直连链路自由度增加时失去最优性；同时指出，即使在簇状全双工协作系统中，也无法完全复现真实MIMO系统的DMT性能。

ABSTRACT

We consider a general multiple antenna network with multiple sources, multiple destinations and multiple relays in terms of the diversity-multiplexing tradeoff (DMT). We examine several subcases of this most general problem taking into account the processing capability of the relays (half-duplex or full-duplex), and the network geometry (clustered or non-clustered). We first study the multiple antenna relay channel with a full-duplex relay to understand the effect of increased degrees of freedom in the direct link. We find DMT upper bounds and investigate the achievable performance of decode-and-forward (DF), and compress-and-forward (CF) protocols. Our results suggest that while DF is DMT optimal when all terminals have one antenna each, it may not maintain its good performance when the degrees of freedom in the direct link is increased, whereas CF continues to perform optimally. We also study the multiple antenna relay channel with a half-duplex relay. We show that the half-duplex DMT behavior can significantly be different from the full-duplex case. We find that CF is DMT optimal for half-duplex relaying as well, and is the first protocol known to achieve the half-duplex relay DMT. We next study the multiple-access relay channel (MARC) DMT. Finally, we investigate a system with a single source-destination pair and multiple relays, each node with a single antenna, and show that even under the idealistic assumption of full-duplex relays and a clustered network, this virtual multi-input multi-output (MIMO) system can never fully mimic a real MIMO DMT. For cooperative systems with multiple sources and multiple destinations the same limitation remains to be in effect.

研究动机与目标

• 表征具有多个源、目的和中继的通用多天线协作无线网络中的复用增益-分集增益权衡（DMT）特性。
• 研究中继处理约束（全双工与半双工）对DMT性能的影响。
• 评估在不同网络拓扑（簇状与非簇状）下，解码转发（DF）与压缩转发（CF）协议的DMT最优性。
• 确定具有多个中继的协作系统是否能够实现与真实MIMO系统相同的DMT性能。
• 建立理论上的DMT上界，并识别能够达到这些上界的可实现协议。

提出的方法

• 推导了具有全双工中继的多天线中继信道的DMT上界，考虑了直连链路中自由度的增加。
• 利用随机几何与高信噪比下的中断概率分析方法，研究DF与CF协议，重点关注分集增益与复用增益之间的权衡。
• 采用块马尔可夫累加编码与混合策略，其中一个中继使用DF，另一个使用CF，且压缩噪声功率根据信道状态信息（CSI）进行自适应调整。
• 通过基于衰落系数的互信息表达式建模可实现速率，将中继处的信道状态信息（CSI）纳入考虑。
• 通过分解中断概率的多种情况（取决于第一个中继是否成功解码），评估中断性能，利用簇状链路的可靠性。
• 通过证明中断概率以SNR^(-d(r))的速率衰减，且d(r) = d_{22}(r)，从而证明了混合策略的DMT可实现性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全双工中继系统中，当源与目的之间的直连链路具有多个天线（即自由度增加）时，解码转发（DF）是否仍为DMT最优？
• RQ2 压缩转发（CF）是否能在全双工与半双工中继场景下均达到DMT上界？
• RQ3 网络拓扑结构（簇状与非簇状中继部署）如何影响协作系统的DMT性能？
• RQ4 具有多个单天线中继的簇状配置协作系统是否能够实现与真实MIMO系统相同的DMT性能？
• RQ5 在DMT性能方面，通过协作形成的虚拟MIMO系统与真实MIMO系统之间是否存在根本性性能差距？

主要发现

• CF在半双工中继中为DMT最优，是首个实现半双工中继DMT上界的协议，具有重要的理论贡献。
• DF仅在所有节点均为单天线时为DMT最优；当直连链路具有多天线时，其性能下降，且在自由度增加时失去最优性。
• 即使在理想的全双工与簇状中继条件下，仅含一个源-目的对与多个中继的协作系统也无法完全复现真实MIMO系统的DMT性能。
• 对于多址中继信道（MARC），本文建立了DMT结果，表明CF在各种配置下仍保持最优。
• 混合策略（一个中继使用DF，另一个使用CF）可实现DMT上界d_{22}(r)，证明此类混合协议可实现DMT最优。
• 混合策略的中断概率以SNR^(-d(r))的速率衰减，其中d(r) = d_{22}(r)，证实了在高信噪比下DMT上界可被实现。