[论文解读] Optimal Amplify-and-Forward Schemes for Relay Channels with Correlated Relay Noise

Binyue Liu, Ye Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2013

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于二阶锥规划（SOCP）的统一框架，用于优化存在相关中继噪声的一跳和双向中继信道中的放大转发（AF）中继方案，该场景在以往研究中常被忽视。研究表明，即使在缺乏噪声协方差完全信息的情况下，噪声相关性在平均意义上仍具有益处，并推导出在单个中继功率约束下近似最优的闭式次优方案。

ABSTRACT

This paper investigates amplify-and-forward (AF) schemes for both one and two-way relay channels. Unlike most existing works assuming independent noise at the relays, we consider a more general scenario with correlated relay noise. We first propose an approach to efficiently solve a class of quadratically constrained fractional problems via second-order cone programming (SOCP). Then it is shown that the AF relay optimization problems studied in this paper can be incorporated into such quadratically constrained fractional problems. As a consequence, the proposed approach can be used as a unified framework to solve the optimal AF rate for the one-way relay channel and the optimal AF rate region for the two-way relay channel under both sum and individual relay power constraints. In particular, for one-way relay channel under individual relay power constraints, we propose two suboptimal AF schemes in closed-form. It is shown that they are approximately optimal in certain conditions of interest. Furthermore, we find an interesting result that, on average, noise correlation is beneficial no matter the relays know the noise covariance matrix or not for such scenario. Overall, the obtained results recover and generalize several existing results for the uncorrelated counterpart. (unsubmitted)

研究动机与目标

• 为解决在相关中继噪声条件下缺乏AF中继信道优化框架的问题，提出比标准独立噪声假设更现实的模型。
• 为在总和与单个中继功率约束下的一跳和双向中继信道提供统一的解决方案。
• 分析噪声相关性对可实现速率的影响，特别是当中继无法完全掌握噪声协方差矩阵时的情况。
• 在单个中继功率约束下，推导出闭式次优AF方案，使其近似最优。

提出的方法

• 将AF中继优化问题建模为二次约束分数规划（QCFP），并通过二阶锥规划（SOCP）求解。
• 利用SOCP高效求解中继速率最大化中出现的一类非凸分数规划问题。
• 将SOCP框架集成到具有相关噪声的一跳和双向中继信道模型中。
• 推导出在单个中继功率约束下适用于一跳中继信道的两种闭式次优AF方案。
• 在不同信噪比和噪声相关性条件下分析这些方案的性能。
• 评估噪声相关性对遍历速率的影响，无论是否具备噪声协方差矩阵的完整知识。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在相关中继噪声的情况下，如何高效地建立并求解AF中继优化问题？
• RQ2 噪声相关性对一跳和双向中继信道中可实现速率有何影响？
• RQ3 能否推导出在单个中继功率约束下近似最优的闭式次优AF方案？
• RQ4 即使中继不掌握完整的噪声协方差结构，噪声相关性是否仍对系统性能有益？
• RQ5 所提出的基于SOCP的框架如何推广现有未相关噪声场景下的结果？

主要发现

• 所提出的基于SOCP的框架为在各种功率约束下优化一跳和双向中继信道中的AF速率提供了一体化解决方案。
• 无论中继是否掌握噪声协方差矩阵，噪声相关性在平均意义上对一跳中继信道具有益处。
• 所提出的两种闭式次优AF方案在高信噪比区域下，于单个中继功率约束下实现了近似最优性能。
• 该框架可推广并恢复现有未相关噪声情况下的结果作为特例。
• 优化问题被重新表述为QCQP，并通过SOCP高效求解，从而支持实际应用。