[论文解读] The Gaussian Two-way Diamond Channel

Prathyusha, Srikrishna Bhashyam+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2013

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文提出两种计算转发（CF）中继协议——CF-CMAC 与 CF-BC，针对具有两个中继的高斯双向钻石中继信道，通过同时进行流混合实现性能超越时分复用。利用嵌套格栅码，两种协议均实现了接近外 bound 的速率，其中 CF-CMAC 在对称双向速率场景下表现更优。

ABSTRACT

We consider two-way relaying in a Gaussian diamond channel, where two terminal nodes wish to exchange information using two relays. A simple baseline protocol is obtained by time-sharing between two one-way protocols. To improve upon the baseline performance, we propose two compute-and-forward (CF) protocols: Compute-and-forward Compound multiple access channel (CF-CMAC) and Compute-and-forward-Broadcast (CF-BC). These protocols mix the two flows through the two relays and achieve rates better than the simple time-sharing protocol. We derive an outer bound to the capacity region that is satisfied by any relaying protocol, and observe that the proposed protocols provide rates close to the outer bound in certain channel conditions. Both the CF-CMAC and CF-BC protocols use nested lattice codes in the compute phases. In the CF-CMAC protocol, both relays simultaneously forward to the destinations over a Compound Multiple Access Channel (CMAC). In the simpler CF-BC protocol's forward phase, one relay is selected at a time for Broadcast Channel (BC) transmission depending on the rate-pair to be achieved. We also consider the diamond channel with direct source-destination link and the diamond channel with interfering relays. Outer bounds and achievable rate regions are compared for these two channels as well. Mixing of flows using the CF-CMAC protocol is shown to be good for symmetric two-way rates.

研究动机与目标

• 在具有两个中继的高斯钻石中继信道中，提升双向中继的频谱效率，超越简单的时分复用协议。
• 设计新型中继协议，使中继能够同时对双向数据流进行混合处理。
• 推导出容量区域的外 bound，以评估协议性能。
• 对比存在与不存在源-目的地直连链路，以及存在干扰中继的双向钻石中继信道。
• 在对称与非对称速率条件下，评估基于计算转发的协议性能。

提出的方法

• 提出 CF-CMAC，两个中继同时通过复合多址接入信道（CMAC）向目的地转发，使用嵌套格栅码实现信号的计算。
• 提出 CF-BC，根据目标速率对，每次选择一个中继进行广播传输，同样使用嵌套格栅码。
• 采用计算转发原理，使中继能够解码发送信号的整数线性组合。
• 推导出适用于双向钻石中继信道中任意中继协议的容量区域外 bound。
• 分析存在源-目的地直连链路与存在干扰中继的钻石中继信道，比较可实现的速率区域与外 bound。
• 利用格栅编码，使中继能够可靠地计算线性组合，从而实现高效的双向信息交换。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有两个中继的双向高斯钻石中继信道中，计算转发协议能否实现高于时分复用的速率？
• RQ2 通过 CMAC 或 BC 传输实现的流混合，与单独的一维传输相比，对可实现速率区域有何影响？
• RQ3 双向钻石中继信道的容量区域外 bound 是什么？实际协议能多接近该 bound？
• RQ4 存在源-目的地直连链路如何影响双向中继协议的性能？
• RQ5 在支持对称双向速率方面，CF-CMAC 与 CF-BC 哪一协议更优？原因是什么？

主要发现

• CF-CMAC 与 CF-BC 协议通过在中继处实现流混合，实现了高于基准时分复用协议的速率。
• CF-CMAC 协议在对称双向速率场景下，速率接近外 bound。
• 所推导的外 bound 紧致且可作为评估双向钻石中继信道中所有中继协议的基准。
• CF-BC 协议通过根据目标速率对自适应选择中继，实现良好性能，简化了实现复杂度。
• 在有利的信道条件下，所提协议与外 bound 之间的性能差距较小。
• 嵌套格栅码实现了对整数线性组合的可靠计算，构成 CF-CMAC 与 CF-BC 协议的核心。