[论文解读] Power Allocation in the High SNR Regime for A Multicast Cell with Regenerative Network Coding

Jun Li, Wen Chen|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2020

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 9被引用 11

一句话总结

本文提出了一种用于2-1-2广播无线网络的最优与次优功率分配方案，采用再生网络编码（RNC），对比复数域（RCNC）与伽罗瓦域（RGNC）网络编码。在高信噪比（SNR）区域，基于统计信道状态信息（CSI）的功率分配可最小化帧误码概率（SFEP）；而基于瞬时CSI的次优方案则能显著提升RCNC性能，优于统计方法。

ABSTRACT

This letter focuses on power allocation schemes for a basic multicast cell with wireless regenerative network coding (RNC). In RNC, mixed signals received from the two sources are jointly decoded by the relay where decoded symbols are superposed in either the complex field (RCNC) or Galois field (RGNC) before being retransmitted. We deduce the optimal statistical channels state information (CSI) based power allocation and give a comparison between the two RNCs. When instantaneous CSI is available at each transmitter, we propose a suboptimal power allocation for RCNC, which achieves better performance.

研究动机与目标

• 通过在再生网络编码（RNC）下优化功率分配，提升2-1-2广播无线网络的系统性能。
• 比较在不同功率分配策略下，复数域（RCNC）与伽罗瓦域（RGNC）RNC协议的性能表现。
• 推导在高SNR区域下，基于统计CSI的最优功率分配方案，以最小化系统帧误码概率（SFEP）。
• 设计一种针对RCNC的次优瞬时CSI-based功率分配方案，以提升其性能，优于统计方法。
• 评估调制速率（2与4 BPCU）对最优功率分配及系统误码性能的影响。

提出的方法

• 推导在接收端联合最大似然译码下，RCNC与RGNC的系统帧误码概率（SFEP）表达式。
• 提出一种基于统计CSI的功率分配方案（定理1），通过平衡源端与中继端的功率分配，基于信道增益与调制速率，以最小化SFEP。
• 提出一种针对RCNC的次优瞬时CSI-based功率分配方案（定理2），利用瞬时信道状态信息自适应设定功率分配因子。
• 使用瞬时SNR替代SFEP近似中的统计SNR，从而导出闭式次优功率分配规则。
• 在RCNC中应用预编码器 α = e^(3jπ/4)，以实现全分集增益，并确保解码信号的相干叠加。
• 采用蒙特卡洛仿真，基于10^6个独立同分布的帧，验证理论SFEP预测结果，并比较不同方案与调制等级下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于统计CSI的功率分配在2-1-2广播网络中，如何影响帧误码概率（SFEP）？
• RQ2 在最优功率分配下，RCNC与RGNC在SFEP方面的性能权衡如何？
• RQ3 基于瞬时CSI的功率分配能否显著提升RCNC的SFEP，优于基于统计CSI的方案？
• RQ4 调制速率（2 BPCU与4 BPCU）如何影响RCNC与RGNC的最优功率分配因子？
• RQ5 在何种信道条件下，RCNC在误码性能上优于RGNC，反之亦然？

主要发现

• 理论分析表明，对于2 BPCU，RCNC的最优统计CSI-based功率分配为 κ = 1/2，RGNC为 κ = 2/3。
• 对于4 BPCU，最优功率分配为RCNC的 κ = 2/3，RGNC的 κ ≈ 0.76，仿真结果验证了这些值可最小化SFEP。
• 当 κ < 2/3 时，RCNC优于RGNC；当 κ > 2/3 时，RGNC优于RCNC，性能差异为 ΔP_sys = |2^R ρ^(-1) (2/κ - 1/τ)|。
• 次优瞬时CSI-based功率分配方案（定理2）显著降低了SFEP，尤其在高SNR区域表现突出。
• 仿真结果证实，最优统计CSI-based功率分配能准确预测不同调制速率下的最小SFEP。
• 所提出的RCNC中基于瞬时CSI的方案显著优于基于统计CSI的方案，充分体现了实时信道自适应的价值。