[论文解读] The Capacity Of Two Way Relay Channel

Shengli Zhang, Soung Chang Liew|ArXiv.org|Apr 19, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 16被引用 12

一句话总结

本文通过信息论分析确立了双向中继信道的容量，证明在低信噪比（SNR）和高信噪比（SNR）两种情况下均可逼近容量上限。在低SNR下，采用分离解码与网络编码可达到该上限；在高SNR下，物理层网络编码（PNC）可实现逼近容量的性能，作者推测PNC在所有SNR区域均可实现容量。

ABSTRACT

This paper investigates the capacity of a wireless two way relay channel in which two end nodes exchange information via a relay node. The capacity is defined in the information-theoretic sense as the maximum information exchange rate between the two end nodes. We give an upper bound of the capacity by applying the cut-set theorem. We prove that this upper bound can be approached in low SNR region using "separated" multiple access for uplinks from the end nodes to the relay in which the data from the end nodes are individually decoded at the relay; and network-coding broadcast for downlinks from the relay to the end nodes in which the relay mixes the information from end nodes before forwarding. We further prove that the capacity is approachable in high SNR region using physical-layer network coding (PNC) multiple access for uplinks, and network-coding broadcast for downlinks. From our proof and observations, we conjecture that the upper bound may be achieved with PNC in all SNR regions.

研究动机与目标

• 确定通过中继节点双向交换数据的双向中继信道的信息论容量。
• 分析在实际传输策略下，理论容量上限是否可被达到。
• 评估在不同SNR区域下，分离多址接入与物理层网络编码（PNC）的性能表现。
• 探究网络编码在提升双向中继网络频谱效率方面的潜力。

提出的方法

• 利用信息论中的切集定理推导容量的上界。
• 在上行链路中采用分离多址接入，中继节点对来自终端节点的独立数据流进行解码。
• 在下行链路中采用网络编码广播，中继节点转发结合两个终端节点数据的混合信号。
• 在高SNR下采用物理层网络编码（PNC）进行上行链路传输，实现同时传输与干扰对齐。
• 在低SNR下分析采用分离解码的性能，在高SNR下分析采用PNC的上行链路性能。
• 基于理论分析与观察，推测在所有SNR区域中，PNC均可实现容量上界。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过实际传输策略逼近双向中继信道的信息论容量上限？
• RQ2 在低SNR下，与物理层网络编码（PNC）相比，采用分离多址接入与独立解码的性能在实现容量方面如何？
• RQ3 网络编码在下行链路传输中发挥何种作用以实现高谱效？
• RQ4 在高SNR区域中，PNC是否能实现逼近容量的性能？
• RQ5 是否可利用PNC在所有SNR区域中实现切集上界？

主要发现

• 切集定理为双向中继信道的容量提供了上界。
• 在低SNR区域，通过中继节点的分离多址接入与独立解码，以及网络编码广播，可达到容量上界。
• 在高SNR区域，上行链路采用物理层网络编码（PNC），下行链路采用网络编码广播，可达到容量上界。
• 本文观察到PNC可实现高效的干扰管理与频谱复用，支持其关于容量可实现性的推测。
• 作者推测，基于理论一致性与性能趋势，PNC可在所有SNR区域中实现容量上界。