[論文レビュー] The Degrees of Freedom of the 2-Hop, 2-User Interference Channel with Feedback

Chinmay S. Vaze, Mahesh K. Varanasi|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、2ホップ、2ユーザーの干渉チャネルがフィードバックを持つ場合、2つのフィードバックモデル—遅延されたチャネル状態情報（遅延CSI-S）を有する送信元と、制限されたシャノンフィードバックを有するリレーよりも、4/3の自由度（DoF）を達成することを確立している。遅延CSI-Sに対しては、後向き干渉整合化（retrospective interference alignment）を提案し、制限付きフィードバックに対しては、後向き協調干渉整合化（retro-cooperative interference alignment）を提案する。両手法とも、送信元における不完全または遅延されたチャネル知識にもかかわらず、最適なDoFを達成する。

ABSTRACT

The layered two-hop, two-flow interference network is considered that consists of two sources, two relays and two destinations with the first hop network between he sources and the relays and the second hop network between relays and destinations both being i.i.d. Rayleigh fading Gaussian interference channels. Two feedback models are studied. In the first one, called the delayed channel state information at the sources (delayed CSI-S) model, the sources know all channel coefficients with a finite delay but the relays have no side information whatsoever. In the second feedback model, referred to as the limited Shannon feedback model, the relays know first hop channel coefficients instantaneously and the second hop channel with a finite delay and one relay knows the received signal of one of the destinations with a finite delay and the other relay knows the received signal of the other destination with a finite delay but there is no side information at the sources whatsoever. It is shown in this paper that under both these settings, the layered two-hop, two-flow interference channel has 4/3 degrees of freedom. The result is obtained by developing a broadcast-channel-type upper-bound and new achievability schemes based on the ideas of retrospective interference alignment and retro-cooperative interference alignment, respectively.

研究の動機と目的

• 遅延または部分的なチャネル状態情報（CSI）を有する実用的なフィードバックモデル下での2ホップ2ユーザー干渉チャネルの自由度（DoF）を同定すること。
• 特にリレーネットワークにおけるフィードバックを用いて、送信元に即時のCSIがなくても干渉整合化が達成可能かどうかを調査すること。
• 遅延または部分的なCSI下で最適なDoFを達成する新しい伝送戦略を開発し、従来の完全で即時のCSIを要する結果を改善すること。
• 制限付きフィードバック、例えばリレーや遅延された受信出力フィードバックがある場合でも、和自由度が4/3のまま維持され、これはCSIなしで達成可能な1 DoFよりも高いことの証明。

提案手法

• 遅延CSI-Sモデルに適した後向き干渉整合化方式を提案。送信元は遅延されたグローバルCSIを有するが、リレーはCSIを一切持たない。これにより、時間スロットに跨って干渉を整合化可能となる。
• 制限付きシャノンフィードバックモデルに適した後向き協調干渉整合化方式を導入。リレーは1ホップ目の即時のCSIと2ホップ目の遅延CSIを有し、各受信側の受信信号の遅延知識も持つ。
• 3時間スロットの伝送プロトコルを採用：1ホップ目はデータ送信、2ホップ目はリレーが遅延信号を中継、3ホップ目はリレーが干渉を除去したプレコーディング信号を復元・再送信可能となる。
• リレーは遅延されたチャネル係数と受信出力の両方を用いて4つのデータシンボルを復元し、干渉を除去するプレコーディング信号を計算・送信することで、受信側でのゼロ・フォーリングを可能にする。
• データシンボルとチャネル係数の線形結合を用いて、受信側での干渉を整列させつつ、必要な信号の復号可能性を維持する。
• リレーが過去の観測とチャネル状態情報から干渉項を計算可能であり、これにより受信側での協調的ノーキング（干渉除去）が可能になることを利用している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信元に即時のCSIがなく、遅延CSIのみを有する場合、2ホップ2ユーザー干渉チャネルは1 DoFを超える自由度を達成可能か？
• RQ2 リレーが制限付きフィードバック（例えば、2ホップ目のチャネル係数の遅延知識および1受信側の出力の遅延知識）を持つ場合、2ホップ干渉チャネルにおける最適なDoFは何か？
• RQ3 フィードバックと後向き信号処理を用いて、送信元に即時のCSIがなくても、マルチホップネットワークで干渉整合化が達成可能か？
• RQ4 CSIが遅延または部分的にのみ利用可能な実用的フィードバックモデル下で、4/3 DoFの上限が達成可能か？

主な発見

• 遅延CSI-Sフィードバックモデル下で、送信元が遅延されたグローバルCSIを有し、リレーがCSIを持たない場合、2ホップ2ユーザー干渉チャネルは4/3の自由度を達成する。
• 制限付きシャノンフィードバックモデル下で、リレーが2ホップ目のチャネル係数の遅延知識と、1受信側の出力の遅延知識を持つ場合、自由度は依然として4/3のまま維持される。
• 提案された後向き干渉整合化方式により、遅延CSI-S設定下で過去のチャネル状態情報を利用した時間跨ぎ干渉整合化が可能となり、DoFの最適性が達成される。
• 制限付きシャノンフィードバックモデル下での後向き協調干渉整合化方式により、リレーがデータシンボルを復元し、遅延フィードバックを用いて受信側での干渉を事前キャンセル可能となる。
• 両方式とも、送信元およびリレーに即時のCSIがなくても、自由度の最適性を達成しており、フィードバックが fading ネットワークにおけるスペクトル効率を回復可能であることを示している。
• 4/3の自由度はタイトであり、ブロードキャストチャネル型の議論により導かれた上限と一致しており、これらのフィードバックモデル下での理論的限界であることが確認された。