Achievable Rate Regions for Two-Way Relay Channel using Nested Lattice Coding

This paper studies Gaussian Two-Way Relay Channel where two communication nodes exchange messages with each other via a relay. It is assumed that all nodes operate in half duplex mode without any direct link between the communication nodes. A compress-and-forward relaying strategy using nested lattice codes is first proposed. Then, the proposed scheme is improved by performing a layered coding : a common layer is decoded by both receivers and a refinement layer is recovered only by the receiver which has the best channel conditions. The achievable rates of the new scheme are characterized and are shown to be higher than those provided by the decode-and-forward strategy in some regions.Comment: 27 pages, 13 figures, Submitted to IEEE Transactions on Wireless Communications (October 2013

Physical-layer network coding for two-way relay channels

Le codage réseau est apparu comme une technique alternative au routage au niveau de la couche réseau permettant d'améliorer le débit et d'optimiser l'utilisation de la capacité du réseau. Récemment, le codage réseau a été appliqué au niveau de la couche physique des réseaux sans-fil pour profiter de la superposition naturelle des signaux effectuée par le lien radio. Le codage réseau peut être vue comme un traitement interne du réseau pour lequel différentes techniques de relayage peuvent être utilisées. Cette thèse étudie un ensemble de traitements ayant des compromis variés en terme de performance et complexité. Nous considérons le canal bidirectionnel à relais, un modèle de canal de communication typique dans les réseaux coopératifs, où deux terminaux s'échangent mutuellement des messages par l'intermédiaire d'un relais. La communication se déroule en deux phases, une phase à accès multiple et une phase de broadcast. Pour ce scénario, nous analysons, dans une première partie, une stratégie de "decode-and-forward". Nous considérons, pour cette étude, des alphabets de taille finie et nous calculons les probabilités moyennes d'erreur de bout-en-bout en se basant sur la métrique d'exposant d'erreur du codage aléatoire. Puis, nous dérivons les régions des débits atteignables par rapport à une probabilité d'erreur maximale tolérable au niveau de chaque nœud. Dans une deuxième partie de la thèse, nous proposons deux schémas de codage réseau pratiques, avec complexité réduite, qui se basent sur la stratégie de relayage "compress-and-forward" (CF). Le premier schéma utilise un codage en réseau de points imbriqués (nested lattices). Le deuxième schéma est une version améliorée qui permet d'atteindre des débits de données supérieurs pour l'utilisateur qui a les meilleures conditions canal. Nous construisons les régions des débits atteignables par les deux schémas proposés tout en optimisant la répartition du temps alloué à chacune des deux phases de transmission. Après l'étude du régime asymptotique, nous analysons le schéma de codage CF avec des réseaux de points de dimension finie. Nous nous concentrons sur le problème de la transmission analogique où la distorsion est optimisée. Enfin, nous étudions l'application d'un schéma de codage, basé sur la stratégie CF avec des réseaux de points imbriqués, pour le canal bidirectionnel à canaux parallèles. Ainsi, nous présentons deux régions de débits atteignables selon la technique de traitement, conjoint ou séparé, des sous-canaux par le relais.Network coding has emerged as an alternative technique to routing that enhances the throughput at the network layer. Recently, network coding has been applied at the physical layer to take advantage of the natural signal superposition that occurs in the radio link. In this context, the physical-layer network coding can be seen as an in-network processing strategy for which multiple forwarding schemes can be proposed. This thesis investigates a set of processing schemes tailored to the network coding at the physical layer with various compromises between performance and complexity. We consider a two-way relay channel, a typical communication system in cooperative networks, where two terminals communicate with each other via a relay node. This communication occurs during two transmission phases, namely a multiple-access phase and a broadcast phase. For TWRC scenario, we first analyze a decode-and-forward strategy with finite size alphabets. We calculate the end-to-end average error probabilities based on random coding error exponents. Then, we derive the achievable rate regions with respect to a maximal probability of error allowed at each terminal. Next, we propose two low-complexity and practical schemes based on compress-and-forward relaying strategy. The first scheme employs nested lattice coding. The second is an improved version which enables higher data rates for the user experiencing the best channel conditions. We present an information-theoretic framework to reconstruct the achievable rate regions of both schemes by considering optimal time division between both transmission phases. After the asymptotic regime analysis, we study single-layer lattice coding scheme with finite dimension lattices. We focus on the analog transmission problem where the distortion is optimized. Finally, we investigate single-layer lattice coding scheme for parallel Gaussian two-way relay channel. We present two achievable rate regions based on whether the relay processes all the sub-channels jointly or separately.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Finite Dimension Wyner-Ziv Lattice Coding for Two-Way Relay Channel

International audienceTwo-way relay channel (TWRC) models a cooperative communication situation performing duplex transmission via a relay station. For this channel, we have shown previously that a lattice-based physical layer network coding strategy achieves, at the limit of arbitrarily large dimension, the same rate as that offered by the random coding-based regular compress-and-forward. In this paper, we investigate a practical coding scheme using finite dimension lattices and offering a reasonable performance-complexity trade-off. The algorithm relies on lattice based quantization for Wyner-Ziv coding. We characterize the rate region allowed by our coding scheme, discuss the design criteria, and illustrate our results with some numerical examples

Physical-layer network coding for two-way relay channels

Le codage réseau est apparu comme une technique alternative au routage au niveau de la couche réseau permettant d'améliorer le débit et d'optimiser l'utilisation de la capacité du réseau. Récemment, le codage réseau a été appliqué au niveau de la couche physique des réseaux sans-fil pour profiter de la superposition naturelle des signaux effectuée par le lien radio. Le codage réseau peut être vue comme un traitement interne du réseau pour lequel différentes techniques de relayage peuvent être utilisées. Cette thèse étudie un ensemble de traitements ayant des compromis variés en terme de performance et complexité. Nous considérons le canal bidirectionnel à relais, un modèle de canal de communication typique dans les réseaux coopératifs, où deux terminaux s'échangent mutuellement des messages par l'intermédiaire d'un relais. La communication se déroule en deux phases, une phase à accès multiple et une phase de broadcast. Pour ce scénario, nous analysons, dans une première partie, une stratégie de "decode-and-forward". Nous considérons, pour cette étude, des alphabets de taille finie et nous calculons les probabilités moyennes d'erreur de bout-en-bout en se basant sur la métrique d'exposant d'erreur du codage aléatoire. Puis, nous dérivons les régions des débits atteignables par rapport à une probabilité d'erreur maximale tolérable au niveau de chaque nœud. Dans une deuxième partie de la thèse, nous proposons deux schémas de codage réseau pratiques, avec complexité réduite, qui se basent sur la stratégie de relayage "compress-and-forward" (CF). Le premier schéma utilise un codage en réseau de points imbriqués (nested lattices). Le deuxième schéma est une version améliorée qui permet d'atteindre des débits de données supérieurs pour l'utilisateur qui a les meilleures conditions canal. Nous construisons les régions des débits atteignables par les deux schémas proposés tout en optimisant la répartition du temps alloué à chacune des deux phases de transmission. Après l'étude du régime asymptotique, nous analysons le schéma de codage CF avec des réseaux de points de dimension finie. Nous nous concentrons sur le problème de la transmission analogique où la distorsion est optimisée. Enfin, nous étudions l'application d'un schéma de codage, basé sur la stratégie CF avec des réseaux de points imbriqués, pour le canal bidirectionnel à canaux parallèles. Ainsi, nous présentons deux régions de débits atteignables selon la technique de traitement, conjoint ou séparé, des sous-canaux par le relais.Network coding has emerged as an alternative technique to routing that enhances the throughput at the network layer. Recently, network coding has been applied at the physical layer to take advantage of the natural signal superposition that occurs in the radio link. In this context, the physical-layer network coding can be seen as an in-network processing strategy for which multiple forwarding schemes can be proposed. This thesis investigates a set of processing schemes tailored to the network coding at the physical layer with various compromises between performance and complexity. We consider a two-way relay channel, a typical communication system in cooperative networks, where two terminals communicate with each other via a relay node. This communication occurs during two transmission phases, namely a multiple-access phase and a broadcast phase. For TWRC scenario, we first analyze a decode-and-forward strategy with finite size alphabets. We calculate the end-to-end average error probabilities based on random coding error exponents. Then, we derive the achievable rate regions with respect to a maximal probability of error allowed at each terminal. Next, we propose two low-complexity and practical schemes based on compress-and-forward relaying strategy. The first scheme employs nested lattice coding. The second is an improved version which enables higher data rates for the user experiencing the best channel conditions. We present an information-theoretic framework to reconstruct the achievable rate regions of both schemes by considering optimal time division between both transmission phases. After the asymptotic regime analysis, we study single-layer lattice coding scheme with finite dimension lattices. We focus on the analog transmission problem where the distortion is optimized. Finally, we investigate single-layer lattice coding scheme for parallel Gaussian two-way relay channel. We present two achievable rate regions based on whether the relay processes all the sub-channels jointly or separately

Étude du codage réseau au niveau de la couche physique pour les canaux bidirectionnels à relais

Network coding has emerged as an alternative technique to routing that enhances the throughput at the network layer. Recently, network coding has been applied at the physical layer to take advantage of the natural signal superposition that occurs in the radio link. In this context, the physical-layer network coding can be seen as an in-network processing strategy for which multiple forwarding schemes can be proposed. This thesis investigates a set of processing schemes tailored to the network coding at the physical layer with various compromises between performance and complexity. We consider a two-way relay channel, a typical communication system in cooperative networks, where two terminals communicate with each other via a relay node. This communication occurs during two transmission phases, namely a multiple-access phase and a broadcast phase. For TWRC scenario, we first analyze a decode-and-forward strategy with finite size alphabets. We calculate the end-to-end average error probabilities based on random coding error exponents. Then, we derive the achievable rate regions with respect to a maximal probability of error allowed at each terminal. Next, we propose two low-complexity and practical schemes based on compress-and-forward relaying strategy. The first scheme employs nested lattice coding. The second is an improved version which enables higher data rates for the user experiencing the best channel conditions. We present an information-theoretic framework to reconstruct the achievable rate regions of both schemes by considering optimal time division between both transmission phases. After the asymptotic regime analysis, we study single-layer lattice coding scheme with finite dimension lattices. We focus on the analog transmission problem where the distortion is optimized. Finally, we investigate single-layer lattice coding scheme for parallel Gaussian two-way relay channel. We present two achievable rate regions based on whether the relay processes all the sub-channels jointly or separately.Le codage réseau est apparu comme une technique alternative au routage au niveau de la couche réseau permettant d'améliorer le débit et d'optimiser l'utilisation de la capacité du réseau. Récemment, le codage réseau a été appliqué au niveau de la couche physique des réseaux sans-fil pour profiter de la superposition naturelle des signaux effectuée par le lien radio. Le codage réseau peut être vue comme un traitement interne du réseau pour lequel différentes techniques de relayage peuvent être utilisées. Cette thèse étudie un ensemble de traitements ayant des compromis variés en terme de performance et complexité. Nous considérons le canal bidirectionnel à relais, un modèle de canal de communication typique dans les réseaux coopératifs, où deux terminaux s'échangent mutuellement des messages par l'intermédiaire d'un relais. La communication se déroule en deux phases, une phase à accès multiple et une phase de broadcast. Pour ce scénario, nous analysons, dans une première partie, une stratégie de "decode-and-forward". Nous considérons, pour cette étude, des alphabets de taille finie et nous calculons les probabilités moyennes d'erreur de bout-en-bout en se basant sur la métrique d'exposant d'erreur du codage aléatoire. Puis, nous dérivons les régions des débits atteignables par rapport à une probabilité d'erreur maximale tolérable au niveau de chaque nœud. Dans une deuxième partie de la thèse, nous proposons deux schémas de codage réseau pratiques, avec complexité réduite, qui se basent sur la stratégie de relayage "compress-and-forward" (CF). Le premier schéma utilise un codage en réseau de points imbriqués (nested lattices). Le deuxième schéma est une version améliorée qui permet d'atteindre des débits de données supérieurs pour l'utilisateur qui a les meilleures conditions canal. Nous construisons les régions des débits atteignables par les deux schémas proposés tout en optimisant la répartition du temps alloué à chacune des deux phases de transmission. Après l'étude du régime asymptotique, nous analysons le schéma de codage CF avec des réseaux de points de dimension finie. Nous nous concentrons sur le problème de la transmission analogique où la distorsion est optimisée. Enfin, nous étudions l'application d'un schéma de codage, basé sur la stratégie CF avec des réseaux de points imbriqués, pour le canal bidirectionnel à canaux parallèles. Ainsi, nous présentons deux régions de débits atteignables selon la technique de traitement, conjoint ou séparé, des sous-canaux par le relais

Physical network coding for TWR channel: Capacity region and error exponents

International audienceTwo way relay channel (TWRC) is being proposed as a competitive strategy for data transmission in cooperative networks. The capacity region of this model has been recently extensively investigated and achievable bounds are derived based on the cut-set theorem and decode and forward relaying strategy. However, capacity limits that have been derived assume infinite block length which is impractical for real approaches. We present in this contribution a new information-theoretic framework to reconstruct the maximum achievable rate region in the TWRC by taking into account fixed block length and physical network coding. In particular, individual error probabilities are treated using random error exponents. We characterize the rate region for discrete memoryless channel by using optimal time division between links and constrained error probabilities. We evaluate the system performance for different SNR regimes with/without power control. All results are generalized to additive white Gaussian network with power constraints

Lattice-based Wyner-Ziv Coding for Parallel Gaussian Two-Way Relay Channels

International audienceParallel two-way relay channel models a cooperative communication scenario where a relay helps two terminals to exchange their messages over independent Gaussian channels. For the single channel case, we have shown previously that lattice-based physical layer network coding achieves the same rate as compress-and-forward scheme with a random coding strategy. A direct extension of this lattice-based scheme to parallel Gaussian channel is to repeat the same strategy for each subchannel. However this approach is not scalable with the number of sub-channels since the complexity of the scheme becomes prohibitive when a large number of sub-channels is employed. In this contribution, we investigate a lattice-based physical layer network coding scheme where the relay jointly processes all the sub-channels together. We characterize the rate region allowed by our coding scheme and assess the performance penalty compared to the separate channel processing approach

Wyner-Ziv Lattice Coding for Two-Way Relay Channel

International audienceA Two-Way Relay Channel (TWRC) in which duplex transmission between two users via a relay station is considered. A physical layer network coding strategy based on compress-and-forward relaying scheme for the TWRC is proposed. In the underlying coding strategy, we use nested lattices for Wyner-Ziv coding and decoding. The relay uses the weaker side information available at the receivers from the first transmission phase to broadcast a common quantized version of its received signal. We characterize the achievable rate region of the presented scheme. Then we show that lattice codes can achieve random coding rates