[论文解读] Towards Optimal Schemes for the Half-Duplex Two-Way Relay Channel

Manuel Stein|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 19被引用 5

一句话总结

本文提出了一种半双工双向中继信道的最优传输协议，采用时分多址接入和连续解码技术，以利用所有网络状态，包括直连链路和中继转发。通过联合优化时隙分配与功率分配，该协议实现了显著的速率增益——对称速率最高提升50%，优于传统的两阶段中继传输和无中继的直接通信方式。

ABSTRACT

A restricted two-way communication problem in a small fully-connected network is investigated. The network consists of three nodes, all having access to a common channel with half-duplex constraint. Two nodes want to establish a dialog while the third node can assist in the bi-directional transmission process. All nodes have agreed on a transmission protocol a priori and the problem is restricted to the dialog encoders not being allowed to establish a cooperation by the use of previous receive signals. The channel is referred to as the restricted half-duplex two-way relay channel. Here the channel is defined and an outer bound on the achievable rates is derived by the application of the cut-set theorem. This shows that the problem consists of six parts. We propose a transmission protocol which takes into account all possible transmit-receive configurations of the network and performs partial decoding of the messages at the relay as well as sequential decoding at the dialog nodes. By the use of random codes and suboptimal decoders, two inner bound on the achievable rates are derived. Restricting to the suggested strategies and fixed input distributions it is argued to be possible to determine optimal transmission schemes with respect to various reasonable objectives at low complexity. In comparison to two-way communication without relay, simulations for an AWGN channel model then show that it is possible to simultaneously increase the communication rates of both dialog messages and to outperform relaying strategies that ignore an available direct path.

研究动机与目标

• 定义并分析具有三个节点和公共信道的受限半双工双向中继信道。
• 利用割集定理推导可达速率区域的外界界，揭示最优方案的结构特征。
• 提出一种可利用所有可能的发送-接收配置以及中继处的部分/完全解码的传输协议。
• 通过随机编码和次优解码方法推导可达速率的内界界，实现低复杂度优化。
• 证明即使存在直连链路，中继仍可提升速率，优于忽略直连链路的策略。

提出的方法

• 应用割集定理推导可达速率区域的外界界，表明该问题包含六个分量。
• 设计一种传输协议，将时隙分配给三个节点的所有可能网络状态（发送/接收模式）。
• 在对话节点处使用连续解码，并采用多维消息索引以管理干扰，实现可靠通信。
• 在中继处实施部分解码，在终端节点处实施完全解码，以提升速率性能。
• 针对固定输入分布，通过参数β和γ优化时隙分配与功率分配，以最大化对称速率。
• 采用具有路径损耗路径损耗指数α=3的标量加性高斯白噪声（AWGN）信道模型，在实际传播条件下评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使存在直连链路，半双工双向中继信道是否仍能实现高于直接通信的对称速率？
• RQ2 如何在所有可能的网络状态之间实现最优时隙分配，以最大化对称双向速率？
• RQ3 中继处的部分解码与终端节点处的连续解码如何影响可达速率区域？
• RQ4 当直连链路存在且可能强于中继路径时，中继能在多大程度上提升性能？
• RQ5 所提出的协议与忽略直连路径的传统两阶段中继相比表现如何？

主要发现

• 当中继位于两个对话节点之间时，所提协议相较于直接双向通信可实现25%至50%的对称速率增益。
• 当中继位于中间位置时，该方案可达到理论上限的20%，表明其性能接近最优。
• 在两个对话节点之间的区域，该协议优于传统两阶段中继5%至15%。
• 随着中继远离对话节点，由于充分利用了直连链路，所提方案的速率增益可无限增大。
• 对于最优方案，通过单个线性规划求解时隙分配与功率分配（β*, γ*），实现低复杂度优化。
• 采用多维消息索引的连续解码可实现可靠通信，并为有限块长码设计提供洞见。