[论文解读] Power Adaptive Network Coding for a Non-Orthogonal Multiple-Access Relay Channel

Sha Wei, Jun Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2020

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 36被引用 15

一句话总结

本文提出了一种用于非正交多址中继信道（MARC）的功率自适应网络编码（PANC）方案，通过基于瞬时信道状态信息优化中继功率电平，提升了分集增益并降低了符号对误码率（SPER）。与传统基于XOR的网络编码（CXNC）因多用户干扰仅能获得一阶分集增益不同，PANC通过使用坐标变换（CT）方法简化SPER推导，并采用最大-最小优化方法最小化误码概率，实现了完整的二阶分集增益。

ABSTRACT

In this paper we propose a novel power adapted network coding (PANC) for a non-orthogonal multiple-access relay channel (MARC), where two sources transmit their information simultaneously to the destination with the help of a relay. Different from the conventional XOR-based network coding (CXNC), the relay in our PANC generates network coded bits by considering the coefficients of the source-to-relay channels, and forwards each bit with a pre-optimized power level. Specifically, by defining a symbol pair as two symbols from the two sources, we first derive the exact symbol pair error rate (SPER) of the system. Noting that the generations of the exact SPER are complicated due to the irregularity of the decision regions caused by random channel coefficients, we propose a coordinate transform (CT) method to simplify the derivations of the SPER. Next, we prove that with a power scaling factor at relay, our PANC scheme can achieve full diversity gain, i.e., two-order diversity gain, of the system, while the CXNC can only achieve one-order diversity gain due to multi-user interference. In addition, we optimize the power levels at the relay to equivalently minimize the SPER at the destination concerning the relationship between SPER and minimum Euclidean distance of the received constellation. Simulation results show that (1) the SPER derived based on our CT method can well approximate the exact SPER with a much lower complexity; (2) the PANC scheme with power level optimizations and power scaling factor design can achieve full diversity, and obtain a much higher coding gain than the PANC scheme with randomly chosen power levels.

研究动机与目标

• 解决传统网络编码方案在非正交多址中继信道（MARC）中因多用户干扰导致的性能退化问题。
• 设计一种网络编码策略，使非正交MARC中实现完整的分集增益（二阶），而传统基于XOR的网络编码（CXNC）因干扰而失效。
• 推导出一个闭式符号对误码率（SPER）表达式，即使在随机衰落导致的不规则判决区域下，也能准确建模系统性能。
• 通过引入坐标变换（CT）方法，将原始的平行四边形调制星座图转换为矩形形状，从而降低SPER推导的计算复杂度。
• 基于误码概率与欧几里得距离的关系，采用最大-最小准则优化中继功率分配，以最小化SPER并保持低复杂度。

提出的方法

• 提出一种新型功率自适应网络编码（PANC）方案，中继利用源-中继信道系数生成网络编码比特，并以两种预优化的功率电平之一转发每个比特。
• 将符号对定义为两个源端发送的两个符号，并利用楔形概率计算方法推导出在衰落信道中不规则判决区域下的精确SPER。
• 提出一种坐标变换（CT）方法，将中继端原始的平行四边形调制星座图转换为矩形形状，从而在随机信道系数下简化SPER推导。
• 在中继端引入功率标度因子，确保实现完整的分集增益，理论证明PANC无论选择何种功率电平，均可实现二阶分集增益。
• 基于最大-最小准则建立凸优化问题，求解中继端最优功率自适应电平，通过最大化有效星座图的最小欧几里得距离来最小化SPER。
• 通过蒙特卡罗仿真验证SPER近似结果，并与CXNC、随机功率分配、固定功率及理想信道信息（genie-aided）基准方案进行性能比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非正交MARC中，是否存在一种网络编码方案可实现完整的二阶分集增益，而传统基于XOR的网络编码（CXNC）因多用户干扰而失效？
• RQ2 在随机衰落导致不规则判决区域的非正交MARC中，如何准确且高效地推导符号对误码率（SPER）？
• RQ3 坐标变换（CT）方法在多大程度上降低了SPER推导的复杂度，同时保持了准确性？
• RQ4 基于瞬时信道状态信息的中继功率自适应能否实现显著的编码增益，并以低复杂度逼近理想信道信息（genie-aided）性能？
• RQ5 源-中继链路的误码传播对端到端SPER有何影响？该影响如何随中继位置和信道质量变化？

主要发现

• 所提出的PANC方案通过功率标度实现了非正交MARC中的完整二阶分集增益，而传统CXNC因多用户干扰仅能获得一阶分集增益。
• 采用坐标变换（CT）方法推导的SPER与精确SPER高度吻合，且计算复杂度显著降低，尤其在随机信道系数下优势明显。
• 基于最大-最小优化的中继功率自适应方案实现了最高的编码增益，优于随机或固定功率分配方案。
• 在高信噪比（高于10 dB）时，基于CT的检测器性能与最优最大似然（ML）检测器一致，验证了所推导闭式SPER表达式的准确性。
• 当源-中继信道质量较好时，PANC方案与理想信道信息基准方案之间的性能差距最小，表明在有利信道条件下误码传播影响较小。
• 仿真结果证实，采用优化功率电平的PANC方案在低复杂度下实现了接近理想信道信息的性能，验证了所提最大-最小优化与CT-SPER推导方法的有效性。