[论文解读] On the Capacity and Diversity-Multiplexing Tradeoff of the Two-Way Relay Channel

Rahul Vaze, Robert W. Heath|ArXiv.org|Oct 21, 2008

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

一句话总结

本文提出一种迭代算法，用于计算多中继MIMO双向中继信道中最优放大转发（AF）波束成形波束，实现全局信道状态信息（CSI）下的近似最优速率区域。该文引入一种实用的双通道匹配策略，仅需局部CSI，渐近地达到容量扩展律——相较于单向通信实现两倍容量增益——同时通过改进的压缩转发（CF）策略，为单中继场景建立了最优分集-复用权衡。

ABSTRACT

This paper considers a multiple input multiple output (MIMO) two-way relay channel, where two nodes want to exchange data with each other using multiple relays. An iterative algorithm is proposed to achieve the optimal achievable rate region, when each relay employs an amplify and forward (AF) strategy. The iterative algorithm solves a power minimization problem at every step, subject to minimum signal-to-interference-and-noise ratio constraints, which is non-convex, however, for which the Karush Kuhn Tuker conditions are sufficient for optimality. The optimal AF strategy assumes global channel state information (CSI) at each relay. To simplify the CSI requirements, a simple amplify and forward strategy, called dual channel matching, is also proposed, that requires only local channel state information, and whose achievable rate region is close to that of the optimal AF strategy. In the asymptotic regime of large number of relays, we show that the achievable rate region of the dual channel matching and an upper bound differ by only a constant term and establish the capacity scaling law of the two-way relay channel. Relay strategies achieving optimal diversity-multiplexing tradeoff are also considered with a single relay node. A compress and forward strategy is shown to be optimal for achieving diversity multiplexing tradeoff for the full-duplex case, in general, and for the half-duplex case in some cases.

研究动机与目标

• 确定多放大转发（AF）中继的MIMO双向中继信道的最优可实现速率区域。
• 通过提出一种简化且仅依赖局部CSI的替代方案，解决多中继AF策略中高CSI与计算复杂度的挑战。
• 在中继数量趋于无穷的渐近条件下，建立双向中继信道的容量扩展律。
• 研究在全双工与半双工协议下，单中继双向信道的最优分集-复用权衡（DMT）策略。
• 将所提策略的性能与上界及现有方案进行比较，特别关注频谱效率与中断分集增益。

提出的方法

• 开发一种迭代算法，通过在每一步求解功率最小化问题来计算最优AF波束成形波束，同时满足最小信干噪比（SINR）约束。
• 功率最小化子问题为非凸问题，但通过满足Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件可保证最优性。
• 提出一种双通道匹配策略以降低CSI需求，仅在每个中继处使用局部信道状态信息，同时保持闭式可实现速率区域。
• 该方法分析中继数K → ∞时的渐近行为，证明双通道匹配的速率区域与上界之间仅相差一个常数项。
• 针对分集-复用权衡，论文对三阶段半双工协议中的压缩转发（CF）策略进行改进，确保压缩信号与中继观测信号之间的联合典型性。
• 全双工情况下，通过将双向信道解耦为两个独立的单向中继信道，使每个方向可应用已知的最优CF策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于具有多个AF中继的MIMO双向中继信道，其最优可实现速率区域是什么？如何高效计算？
• RQ2 低复杂度双通道匹配策略在速率区域与CSI需求方面，与最优AF波束成形策略相比表现如何？
• RQ3 当中继数量趋于无穷时，双向中继信道的容量扩展律是什么？
• RQ4 在单中继双向中继信道中，压缩转发策略能否实现最优分集-复用权衡？在何种条件下可以实现？
• RQ5 半双工情况下的三阶段传输协议相较于全双工情况，如何影响分集-复用权衡？

主要发现

• 基于满足KKT条件的功率最小化所构建的迭代算法，可实现单天线终端与任意天线中继的最优AF波束成形波束，但需要全局CSI且无闭式表达式。
• 仅使用局部CSI的双通道匹配策略，在中继数量趋于无穷的渐近条件下，其速率区域与最优AF策略之间仅相差一个常数项。
• 当中继数K → ∞时，双通道匹配的可实现速率区域与上界之间仅相差一个常数项，从而确立了双向中继信道的容量扩展律。
• 渐近分析证实，双向中继信道相比单向通信实现了两倍的容量增益。
• 在全双工情况下，通过将双向信道解耦为两个独立的单向信道，压缩转发策略可实现最优分集-复用权衡。
• 在三阶段协议的半双工情况下，改进的CF策略在特定条件下可实现最优DMT，但一般情况仍因复杂的时间分配与压缩约束而未解。