[論文レビュー] Approximate Capacity Region of the MAC-IC-MAC.

Yimin Pang, Mahesh K. Varanasi|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Wireless Communication Security Techniques参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、複数アクセスとクロスリンク干渉を有する2セル干渉チャネル（MAC-IC-MAC）の近似容量領域を確立する。スーパーポジションおよびシングルユーザーコーディングを用いて、ガウス状態において容量領域から1ビット以内のレート領域を達成する。対称的な一般化度数自由度（GDoF）は、V字型のプロファイルを示し、干渉しない送信機が独自の電力レベルにアクセスすることで向上する。

ABSTRACT

An approximate capacity region is established of a class of interfering multiple access channels consisting of two multiple-access channels (MACs), each with an arbitrary number of users, with interference from one of the transmitters of one MAC to the receiver of the other MAC, which we refer to henceforth as the MAC-IC-MAC. It is shown that, for the semi-deterministic MAC-IC-MAC, single-user coding at the non-interfering transmitters in each MAC and superposition coding at the interfering transmitter of each MAC achieves a rate region that is within a quantifiable gap of the capacity region, thereby generalizing the result by Telatar and Tse for the 2-user semi-deterministic interference channel. Next, with an explicit coding scheme, we establish an approximate capacity region that is within a one-bit gap of the capacity region for the Gaussian MAC-IC-MAC, thereby extending the work by Etkin et al for the two-user Gaussian interference channel. The symmetric generalized degrees of freedom (GDoF) of the symmetric Gaussian MAC-IC-MAC with more than one user per cell, which is a function of the interference strength (the ratio of INR to SNR at high SNR, both expressed in dB) and the numbers of users in each cell, is V-shaped with flat shoulders. An analysis based on the deterministic method shows that, when interference is sufficiently weak or strong, the non-interfering transmitters are not mere sharers of the degrees of freedom with the interfering transmitters. They instead also utilize power levels that cannot be accessed by interfering transmitters (due to the restriction of superposition coding), thereby improving the symmetric sum GDoF to up to one degree of freedom per cell under a range of SINR exponent levels. Time sharing between interfering and non-interfering transmitters is suboptimal.

研究の動機と目的

• 2セル干渉チャネルに複数アクセスとクロスリンク干渉を有するMAC-IC-MACの近似容量領域を特徴づけること。
• 半決定的およびガウス干渉チャネルに関する先行研究を、複数ユーザー複数アクセス設定へと拡張すること。
• 変動する干渉レベルとユーザー数の下で、対称的ガウスMAC-IC-MACの一般化度数自由度（GDoF）を分析すること。
• 非干渉送信機が、時分割多重を超えるスペクトル効率の向上に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 干渉する送信機にスーパーポジションコーディング、非干渉送信機にシングルユーザーコーディングを採用し、容量領域から定量可能なギャップ内のレート領域を達成すること。
• 決定的チャネルモデルを用いてGDoFの挙動を分析し、電力レベル利用パターンを同定すること。
• 干渉対信号比（INR/SNR（dB））および1セルあたりのユーザー数を関数として、対称的GDoFを導出すること。
• 明示的なコーディング方式を用いて、非干渉送信機がスーパーポジション制約のため干渉する送信機がアクセスできない独自の電力レベルに到達できることを示すこと。
• 干渉する送信機と非干渉送信機の間の時分割多重が、最適なGDoFを達成するには非効率であることを実証すること。
• 平坦な肩部を持つV字型のGDoFプロファイルを分析し、低干渉および高干渉領域でスペクトル効率が向上することを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意のユーザー数とクロスリンク干渉を有するMAC-IC-MACの近似容量領域は何か？
• RQ2 干渉強度とユーザー数の変動に伴い、対称的ガウスMAC-IC-MACの一般化度数自由度（GDoF）はどのように変化するか？
• RQ3 非干渉送信機は、時分割多重を超えて度数自由度に寄与できるか？
• RQ4 スーパーポジションコーディングの制約は、干渉する送信機と非干渉送信機の電力レベル利用にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 どのような干渉条件において、非干渉送信機が対称的合計GDoFを向上させるか？

主な発見

• 半決定的MAC-IC-MACでは、スーパーポジションおよびシングルユーザーコーディングにより、容量領域から定量可能なギャップ内のレート領域が達成される。
• ガウスMAC-IC-MACでは、提案されたコーディング方式により、容量領域から1ビット以内のレート領域が達成される。
• ガウスMAC-IC-MACの対称的一般化度数自由度（GDoF）は、干渉強度の関数としてV字型のプロファイルを示し、平坦な肩部を持つ。
• スーパーポジションコーディングの制約のため、非干渉送信機は干渉する送信機がアクセスできない独自の電力レベルに到達でき、これにより対称的合計GDoFが1セルあたり最大1度の自由度まで向上する。
• 干渉する送信機と非干渉送信機の間の時分割多重は、GDoFを最大化するには非効率であり、特に低干渉および高干渉領域で顕著である。
• 干渉が十分に弱いか強い場合、非干渉送信機は単なる度数自由度共有者ではなく、スペクトル効率の向上に能動的に寄与する。