[論文レビュー] Gaussian Z-Interference Channel with a Relay Link: Achievability Region and Asymptotic Sum Capacity

Lei Zhou, Wei Yu|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2010

Wireless Communication Security Techniques参考文献 24被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、干渉を受ける受信機から干渉を受けない受信機へのデジタルリレーリンクを有するガウス型Z干渉チャネルを研究し、干渉を軽減するためにハイブリッド・デコードアンドフォワードおよびコンプレスアンドフォワード戦略を提案する。強い干渉領域では容量領域を特定し、弱い干渉領域では、高SNRおよび高干渉対ノイズ比下で、各リレービットが和容量を1ビットずつ漸近的に向上させることを示す。

ABSTRACT

This paper studies a Gaussian Z-interference channel with a rate-limited digital relay link from one receiver to another. Achievable rate regions are derived based on a combination of Han-Kobayashi common-private information splitting technique and several different relay strategies including compress-and-forward and a partial decode-and-forward strategy, in which the interference is partially decoded then binned and forwarded through the digital link for subtraction at the other end. For the Gaussian Z-interference channel with a digital link from the interference-free receiver to the interfered receiver, the capacity region is established in the strong interference regime; an achievable rate region is established in the weak interference regime. In the weak interference regime, the partial decode-and-forward strategy is shown to be asymptotically sum-capacity achieving in the high signal-to-noise ratio and high interference-to-noise ratio limit. In this case, each relay bit asymptotically improves the sum capacity by one bit. For the Gaussian Z-interference channel with a digital link from the interfered receiver to the interference-free receiver, the capacity region is established in the strong interference regime; achievable rate regions are established in the moderately strong and weak interference regimes. In addition, the asymptotically sum capacity is established in the limit of large relay link rate. In this case, the sum capacity improvement due to the digital link is bounded by half a bit when the interference link is weaker than certain threshold, but the sum capacity improvement becomes unbounded as the interference link becomes stronger.

研究の動機と目的

• 率制限付きデジタルリレーリンクがガウス型Z干渉チャネルの和容量に与える影響を分析すること。
• バックホールリンクを介した受信機間協調が、干渉制限付き無線ネットワークにおけるスペクトル効率をどのように向上させるかを調査すること。
• 強いおよび弱い干渉領域における容量領域および漸近的和容量を特徴づけること。
• セルラー上行リンク環境におけるリレーコoperationによる干渉低減の根本的限界を特定すること。

提案手法

• ハン・コバヤシのパワー・スプリッティングを組み合わせたハイブリッド符号化戦略を提案し、デコードアンドフォワードまたはコンプレスアンドフォワードリレーテクニックを適用する。
• ビニングおよびワイナーザイツコーディングを用いて、干渉を受ける受信機での干渉の信頼性のある削除を可能にする。
• パワー・スプリッティングおよびリレーフォワーディングに基づく達成可能なレート領域を、$\alpha$ および $\beta$ でパrameter化して導出する。
• カットセット境界および逆方向の議論を用いて、強い干渉領域における容量領域の最適性を証明する。
• 高SNRおよび高干渉対ノイズ比の極限における漸近的挙動を分析し、和容量のスケーリングを特定する。
• 弱い干渉条件下での達成可能なレート領域の凸性を確立し、実用的な最適化を可能にする。

Figure 3: The union of rate region pentagons when $\mathsf{INR_{2}\leq SNR_{2}}$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉を受ける受信機から干渉を受けない受信機へのデジタルリレーリンクを有するガウス型Z干渉チャネルの容量領域は何か？
• RQ2 弱い干渉領域において、リレーリンクレートの増加に伴い和容量はどのようにスケーリングするか？
• RQ3 デコードアンドフォワード戦略が高SNRおよび高干渉対ノイズ比下で漸近的に和容量最適性を達成するのはどのような条件下か？
• RQ4 干渉リンクが強い場合と弱い場合に、デジタルリレーリンクによる和容量向上の根本的限界は何か？
• RQ5 達成可能なレート領域を凸化でき、効率的な計算および最適化が可能になるか？

主な発見

• 強い干渉領域では、容量領域が完全に特徴づけられ、マルチアクセスチャネルの容量領域と一致する。
• 弱い干渉領域では、高SNRおよび高干渉対ノイズ比下で、デコードアンドフォワード戦略が漸近的に和容量を達成する。
• 高SNRおよび高干渉領域下で、各リレービットが和容量を1ビットずつ漸近的に向上させる。
• 干渉リンクが弱い場合、リレーよりの和容量向上は半ビット未満に制限される。
• 干渉リンクが強い場合、リレー率が増加するにつれて和容量向上は無限大に達する。
• 弱い干渉条件下では、達成可能なレート領域が凸であるため、効率的な数値最適化が可能になる。

Figure 4: The union of rate region pentagons when $\mathsf{INR_{2}\geq SNR_{2}}$ .