[论文解读] Opportunistic Communications in Fading Multiaccess Relay Channels

Lalitha Sankar, Yingbin Liang+2 more|ArXiv.org|Feb 7, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 30被引用 6

一句话总结

本文针对具有半双工解码转发（DF）中继的遍历衰落正交多址中继信道（MARC），在获得瞬时衰落信道状态信息的前提下，提出了最优功率分配策略。研究将MARC分为三类拓扑结构——部分聚类、完全聚类和任意聚类，并推导出最优的机遇式非水填入与水填入策略，证明了在一类聚类MARC中，DF可实现容量区域。

ABSTRACT

The problem of optimal resource allocation is studied for ergodic fading orthogonal multiaccess relay channels (MARCs) in which the users (sources) communicate with a destination with the aid of a half-duplex relay that transmits on a channel orthogonal to that used by the transmitting sources. Under the assumption that the instantaneous fading state information is available at all nodes, the maximum sum-rate and the optimal user and relay power allocations (policies) are developed for a decode-and-forward (DF) relay. With the observation that a DF relay results in two multiaccess channels, one at the relay and the other at the destination, a single known lemma on the sum-rate of two intersecting polymatroids is used to determine the DF sum-rate and the optimal user and relay policies. The lemma also enables a broad topological classification of fading MARCs into one of three types. The first type is the set of partially clustered MARCs where a user is clustered either with the relay or with the destination such that the users waterfill on their bottle-neck links to the distant receiver. The second type is the set of clustered MARCs where all users are either proximal to the relay or to the destination such that opportunistic multiuser scheduling to one of the receivers is optimal. The third type consists of arbitrarily clustered MARCs which are a combination of the first two types, and for this type it is shown that the optimal policies are opportunistic non-waterfilling solutions. The analysis is extended to develop the rate region of a K-user orthogonal half-duplex MARC. Finally, cutset outer bounds are used to show that DF achieves the capacity region for a class of clustered orthogonal half-duplex MARCs.

研究动机与目标

• 解决具有半双工中继和完整信道状态信息的遍历衰落正交多址中继信道（MARC）中的最优资源分配问题。
• 基于用户-中继-目的地聚类模式，将MARC拓扑划分为三类，并推导相应的最优功率分配策略。
• 确定在何种条件下，解码转发（DF）可实现正交半双工MARC的容量区域。
• 将分析扩展至K用户场景，推导在DF中继下的和速率与速率区域。
• 建立割集外 bound，并证明对于一类聚类正交半双工MARC，DF可实现容量。

提出的方法

• 使用一个关于两个相交多秩函数之和速率的引理，刻画DF和速率并推导最优用户与中继功率分配方案。
• 应用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件求解在个体功率约束下的和速率最大化约束优化问题。
• 将最优用户与中继功率策略推导为任意聚类情况下的机遇式非水填入解，以及聚类情况下的水填入解。
• 将MARC分类为三类：部分聚类（用户在瓶颈链路上水填入）、完全聚类（对单一接收端进行机遇式调度为最优）和任意聚类（需非水填入策略）。
• 利用割集边界建立外限，并证明DF在一类聚类正交半双工MARC中可实现容量区域。
• 基于可达速率区域的多秩函数结构，推导K用户速率区域与和速率表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有半双工解码转发中继的遍历衰落正交多址中继信道中，如何实现最优功率分配？
• RQ2 在何种结构与拓扑条件下，机遇式调度或水填入功率控制为最优？
• RQ3 在哪些MARC拓扑类别中，解码转发可实现容量区域？
• RQ4 用户聚类与中继传输正交性之间的相互作用如何影响最优资源分配策略？
• RQ5 在具有DF中继的K用户正交半双工MARC中，和速率与速率区域的结构是怎样的？

主要发现

• 对于任意聚类MARC，最优用户与中继功率分配为机遇式非水填入解，通过KKT条件与多秩函数引理推导得出。
• 在部分聚类MARC中，用户根据信道条件在至中继或至目的地的瓶颈链路上进行水填入。
• 在完全聚类MARC中，当所有用户均靠近中继或目的地时，对更优接收端进行机遇式多用户调度为最优。
• 通过基于多秩函数的引理求解约束优化问题，可最大化和速率，从而获得最优功率策略的闭式表达式。
• 割集外边界表明，解码转发可实现一类聚类正交半双工MARC的容量区域。
• 推导出K用户正交半双工MARC的速率区域，和速率通过相同的多秩函数框架进行表征。