[论文解读] Multi-hop Cooperative Wireless Networks: Diversity Multiplexing Tradeoff and Optimal Code Design

K. Sreeram, S. Birenjith+1 more|ArXiv.org|Feb 13, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 37被引用 23

一句话总结

本文在半双工中继条件下，建立了多跳协作无线网络（包括K-并行路径（KPP）和分层网络）的多样性-复用增益权衡（DMT）。研究证明，基于循环矩阵代数的短块长编码的放大转发（AF）协议可实现最优DMT，表明半双工约束不会导致速率损失，且在广泛类别的网络中，简单的AF方案已足以实现最优性能。

ABSTRACT

We consider single-source single-sink (ss-ss) multi-hop networks, with slow-fading links and single-antenna half-duplex relays. We identify two families of networks that are multi-hop generalizations of the well-studied two-hop network: K-Parallel-Path (KPP) networks and layered networks. KPP networks can be viewed as the union of K node-disjoint parallel relaying paths, each of length greater than one. KPP networks are then generalized to KPP(I) networks, which permit interference between paths and to KPP(D) networks, which possess a direct link from source to sink. We characterize the DMT of these families of networks completely for K > 3. Layered networks are networks comprising of relaying layers with edges existing only within the same layer or between adjacent layers. We prove that a linear DMT between the maximum diversity d_{max} and the maximum multiplexing gain of 1 is achievable for fully-connected layered networks. This is shown to be equal to the optimal DMT if the number of layers is less than 4. For multi-antenna KPP and layered networks, we provide an achievable DMT region. For arbitrary ss-ss single-antenna directed-acyclic full-duplex networks, we prove that a linear tradeoff between maximum diversity and maximum multiplexing gain is achievable. All protocols in this paper are explicit and use only amplify and forward (AF) relaying. We also construct codes with short block-lengths based on cyclic division algebras 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 networks and that simple AF protocols are often sufficient to attain the optimal DMT.

研究动机与目标

• 刻画具有半双工中继的多跳协作无线网络中的多样性-复用增益权衡（DMT）。
• 识别DMT可被完全刻画的网络类别——KPP网络与分层网络。
• 设计显式、低复杂度的协议，采用放大转发（AF）中继，实现最优DMT。
• 证明用于瑞利衰落MIMO信道的全分集编码在这些网络中可普遍适用于任意衰落分布。
• 表明对于一大类协作网络，半双工约束不会导致速率损失。

提出的方法

• 作者定义了两种网络模型：K-并行路径（KPP）网络，由K条互不相交的多跳路径组成；以及将中继按相邻层组织的分层网络。
• 他们推导出KPP网络与分层网络的DMT，并证明在全连接分层网络中，最大分集增益与复用增益为1时，DMT呈线性关系。
• 他们采用逐次干扰消除（SIC）解调策略，证明逐块解调结合干扰消除可实现最优DMT。
• 他们利用循环矩阵代数（CDAs）构造短块长编码，使所有所提协议均能实现最优DMT。
• 他们证明，能在瑞利衰落MIMO信道中实现全分集的编码，同样可在任意衰落信道中实现全分集，利用近似普遍性（approximate universality）的概念。
• 他们建立：对于任意单源单汇网络，最大可实现分集增益等于源与汇之间的最小割，无论中继为全双工或半双工。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有半双工中继的多跳协作网络的最优多样性-复用增益权衡（DMT）是什么？
• RQ2 在KPP与分层网络中，放大转发（AF）协议能否实现最优DMT？
• RQ3 半双工约束是否在协作网络中造成根本性速率损失？
• RQ4 为瑞利衰落MIMO信道设计的全分集编码是否可普遍应用于协作网络中的任意衰落信道？
• RQ5 源与汇之间的最小割是否为任意协作网络中分集增益的根本极限？

主要发现

• 对于K > 3的KPP网络，最优DMT为d_K(r) = K(1 - r)+，且可被完全刻画。
• 对于少于四层中继的分层网络，可实现并最优的、在最大分集增益与复用增益为1之间的线性DMT。
• 使用基于循环矩阵代数（CDA）的短块长编码，可在所有所提协议中实现最优DMT。
• 半双工约束不会导致一大类协作网络的速率损失，如半双工操作下可实现最优DMT所证明。
• 所有在瑞利衰落MIMO信道中实现全分集的编码，也将在任意衰落信道中实现全分集，这是由于近似普遍性特性。
• 在任意单源单汇有向无环网络中，最大可实现分集增益等于源与汇之间的最小割，无论中继为半双工或全双工。