Benefits of Compute-and-Forward in Throughput, Energy, and Security
Ziming Ren · Research Repository (Delft University of Technology) · 2016
Compute-and-forward (CF), also known as reliable physical layer network coding, is a novel technique which allows the terminals in wireless networks to decode linear combinations of the messages after receiving a superimposed signal of these messages in the physical layer.It has already been shown that CF can benefit wireless networks in many aspects.In particular, since it turns the superposition of multiple wireless signals, which is traditionally considered as a collision, into useful information, it significantly boosts the throughput and reduces the energy consumption by reducing the number of transmissions and receptions required in wireless networks.Moreover, in security aspect, CF can also be used to improve the rate of a secure transmission approach called cooperative jamming.In this thesis, we extensively study the benefits of CF in the aspects of throughput, energy consumption, and security in various unicast networks.Firstly, we focus on the throughput benefit of CF for multiple unicasts, which is defined as the ratio of the achievable common rate of CF based schemes and the corresponding rate of the traditional schemes.It is proved that the throughput benefit is upper bounded by 3K in any network, in which K is the number of the unicast sessions.Also, example networks in which CF has a throughput benefit of at least K /2 are given.In particular, the throughput benefit of CF in line networks is extensively studied, where upper bounds and lower bounds of the throughput benefit are given for both centralized and decentralized scheduling cases.Next, it is proved that the energy benefit of CF, defined similarly to the throughput benefit of CF, is upper bounded by min( d , K , 12 K ), where d is the average distance of the sessions.Moreover, it is shown that the energy benefit in many specific networks is upper bounded by some constants.In line networks and hexagonal lattice networks, CF based transmission schemes are given which achieve the upper bounds in some cases.Finally, the problem of the information theoretically secure transmission on the twohop channel with an untrusted relay is considered.Two secure transmission schemes based on the novel scaled CF technique are proposed, which outperform all other existing secure transmission schemes and achieve the upper bound for many different power configurations.Moreover, it is shown that our schemes can also achieve a relatively high secrecy rate in the two-hop channel with an external eavesdropper.ix SAMENVATTING Compute-and-forward (CF), ook bekend onder de naam 'reliable physical layer network coding', is een nieuwe techniek die het mogelijk maakt dat toestellen in draadloze netwerken lineaire combinaties van de berichten decoderen na ontvangst van een gesuperponeerd signaal van deze berichten in de physische laag.Het is reeds aangetoond dat CF draadloze netwerken in vele opzichten voordeel kan bieden.Aangezien het de superpositie van meerdere draadloze signalen, hetgeen traditioneel als een conflict wordt beschouwd, omzet in nuttige informatie, geeft het de doorvoersnelheid een significante impuls en reduceert het het energiegebruik door het terugbrengen van het aantal verzendingen en ontvangsten in draadloze netwerken.Vanuit securiteitsoogpunt kan CF bovendien worden gebruikt om de snelheid te verbeteren van een veilige transmissiebenadering genaamd 'cooperative jamming'.In dit proefschrift bestuderen we uitgebreid de voordelen van CF met betrekking tot de aspecten doorvoersnelheid, energiegebruik en securiteit in diverse unicast-netwerken.Ten eerste richten we ons op het snelheidsvoordeel van CF in het geval van meerdere unicast-sessies, gedefinieerd als de verhouding tussen de behaalbare gezamenlijke snelheid van CF-gebaseerde systemen en de vergelijkbare snelheid van traditionele systemen.Er wordt bewezen dat dit voordeel ten hoogste 3K is voor elk netwerk, waarbij K het aantal unicast-sessies is.Tevens worden voorbeelden gegeven van netwerken waarvoor CF een voordeel van tenminste K /2 heeft.In het bijzonder wordt het snelheidsvoordeel van CF voor lijnnetwerken uitgebreid bestudeerd, waarbij boven-en ondergrenzen worden gegeven voor zowel centraal als decentraal georganiseerde schema's.Vervolgens wordt bewezen dat het energievoordeel van CF, op soortgelijke manier gedefinieerd als het snelheidsvoordeel, naar boven wordt begrensd door min( d , K , 12 K ), waarbij d de gemiddelde afstand van de sessies is.Bovendien wordt aangetoond dat het energievoordeel voor veel specifieke netwerken naar boven wordt begrensd door een constante.Voor lijnnetwerken en hexagonale lattice-netwerken worden CF-gebaseerde systemen gegeven die in enkele gevallen de bovengrenzen behalen.Tenslotte wordt het probleem beschouwd van informatietheoretisch veilige transmissie over een 2-hop-kanaal met een niet-vertrouwd tussenstation.Twee veilige transmissiesystemen gebaseerd op de nieuwe geschaalde CF-techniek worden voorgesteld, die beter presteren dan alle bestaande veilige transmissiesystemen en de bovengrenzen behalen voor vele verschillende vermogensconfiguraties.Bovendien wordt aangetoond dat onze veilige systemen een relatief hoge snelheid behalen voor een 2-hop-kanaal met een externe afluisteraar.xi 3 THROUGHPUT BENEFIT Compute-and-forward (CF) improves the throughput in wireless network by better exploiting the two basic features in wireless communication: broadcast and superposition.In this chapter, we focus on the throughput benefit of CF over other transmission schemes, e.g., traditional routing and network coding (NC), for multiple unicasts.This is a tough problem since it is in general hard to find the theoretical limits of the throughput for multiple unicasts.Hence, a novel network model with four transmission modes inspired by [10] is proposed, in which the network structure is highly abstracted and the features of broadcast and superposition are emphasized.With this model, the theoretical limit for the throughput of each scheme and the throughput benefit of CF over other schemes in various types of networks are found.For general networks, an upper bound and an example in which the improvement is at the same order of the upper bound are given.For line networks, upper and lower bounds considering both the centralized and decentralized scheduling schemes are derived.