[論文レビュー] Interference Channel with State Information

Lili Zhang, Jiang, Jinhua+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2011

Wireless Communication Security Techniques参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、送信機に非因果的状態情報が事前に与えられる2ユーザー干渉チャネルに対して、2つの新規符号化方式—同時符号化と超位置符号化—を、レートスプリットとゲルファンド・ピンスカー符号化と組み合わせて提案する。ガウス型の場合には、一般化されたドアリー・ペーパー符号化を用いた能動的干渉キャンセレーションを導入し、特に強い干渉および混合干渉領域において、実現可能なレート領域を顕著に拡大する。

ABSTRACT

In this paper, we study the state-dependent two-user interference channel, where the state information is non-causally known at both transmitters but unknown to either of the receivers. We first propose two coding schemes for the discrete memoryless case: simultaneous encoding for the sub-messages in the first one and superposition encoding in the second one, both with rate splitting and Gel'fand-Pinsker coding. The corresponding achievable rate regions are established. Moreover, for the Gaussian case, we focus on the simultaneous encoding scheme and propose an \emph{active interference cancellation} mechanism, which is a generalized dirty-paper coding technique, to partially eliminate the state effect at the receivers. The corresponding achievable rate region is then derived. We also propose several heuristic schemes for some special cases: the strong interference case, the mixed interference case, and the weak interference case. For the strong and mixed interference case, numerical results are provided to show that active interference cancellation significantly enlarges the achievable rate region. For the weak interference case, flexible power splitting instead of active interference cancellation improves the performance significantly.

研究の動機と目的

• 送信機には状態情報が非因果的に利用可能であるが受信機にはない状態依存干渉チャネルにおける容量ギャップを解消すること。
• ゲルファンド・ピンスカーおよびドアリー・ペーパー符号化といった既存の点対点状態依存チャネル技術を、マルチユーザー干渉チャネル設定へと拡張すること。
• 送信機における状態知識を活用して干渉を軽減し、スペクトル効率を向上させる実用的な符号化戦略を開発すること。
• 離散的メモリレスおよびガウス型干渉チャネルにおける状態付きの実現可能なレート領域を同定すること。特に強い、混合、弱い干渉領域における特殊ケースのヒューリスティックを含む。

提案手法

• サブメッセージの同時符号化と超位置符号化の2つの符号化方式を提案し、両者をレートスプリットおよびゲルファンド・ピンスカー符号化と統合する。
• 補助確率変数（U, V, Q）と状態Sを含む相互情報量制約を特定することで、状態付き離散的メモリレス干渉チャネルの実現可能なレート領域を導出する。
• ガウス型の場合に一般化ドアリー・ペーパー符号化の一般化として、受信機における共通の加法的ガウス状態を部分的にキャンセルするためのパワー割り当てを用いた能動的干渉キャンセレーションを導入する。
• 強い、混合、弱い干渉ケースにおいて、実現可能なレート領域を拡大するために、複数の送信戦略間での時間共有を適用する。
• 共通メッセージとプライベートメッセージからなる複数アクセスチャネル（MAC）の両方または片方のドアリー・ペーパー符号化パラメータを最適化し、和レートを最大化する。
• 弱い干渉領域では、順次デコードとパワー分割を用いて性能を向上させ、能動的キャンセレーションに代わる戦略を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非因果的に送信機に知られている状態情報は、2ユーザー干渉チャネルにおけるスペクトル効率の向上にどのように活用できるか？
• RQ2 両送信機が事前に状態を知っている場合の、離散的メモリレスおよびガウス型干渉チャネルにおける実現可能なレート領域は何か？
• RQ3 一般化ドアリー・ペーパー符号化による能動的干渉キャンセレーションは、従来の方式に比べてどのような状況で優れているか？
• RQ4 レートスプリットとパワー割り当てに基づくヒューリスティック戦略は、弱い、強い、混合干渉領域において性能をどのように向上させるか？
• RQ5 ドアリー・ペーパー符号化パラメータの最適化と時間共有は、状態依存干渉チャネルにおける実現可能なレート領域にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたレートスプリットおよびゲルファンド・ピンスカー符号化を組み合わせた同時符号化方式は、離散的メモリレスケースにおいて従来方式よりも広い実現可能なレート領域を達成する。
• ガウス型の場合、一般化ドアリー・ペーパー符号化による能動的干渉キャンセレーションは、特に強い干渉および混合干渉領域において、実現可能なレート領域を顕著に拡大する。
• 数値結果から、強い干渉および混合干渉ケースにおいて能動的干渉キャンセレーションが顕著なレート向上をもたらすことが示され、ベースライン方式に対する性能向上が定量的に評価されている。
• 弱い干渉領域では、柔軟なパワー分割が能動的干渉キャンセレーションを上回り、干渉と信号パワーのバランスを最適化することで、より高いスペクトル効率を達成する。
• 最適化された送信戦略間での時間共有により、実現可能なレート領域がさらに拡大され、特に強いおよび混合干渉シナリオで顕著な効果を示す。
• 適切な確率分布の選択のもとで、導出されたレート制約が非負であることが示され、ブロック長が増加するに従い誤り確率がゼロに収束することが保証される。