[論文レビュー] The Degrees of Freedom of the $K$-pair-user Full-Duplex Two-way Interference Channel with and without a MIMO Relay

Zhiyu Cheng, Natasha Devroye|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2013

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、Kペアユーザーのフルデュプレックス二方向干渉チャネル（TWIC）における自由度（DoF）を分析し、フルデュプレックス動作によりDoFがKに倍増することを示しているが、ユーザー間の相互作用はこれ以上の増加をもたらさない。非因果的MIMOリレータが2Kアンテナを備える場合、ワンショット干渉低減方式によりDoFがさらに倍増し2Kに達する。一方、因果的リレータはDoFをKを超えて増加させることができない。

ABSTRACT

In a $K$-pair-user two-way interference channel (TWIC), $2K$ messages and $2K$ transmitters/receivers form a $K$-user IC in the forward direction ($K$ messages) and another $K$-user IC in the backward direction which operate in full-duplex mode. All nodes may interact, or adapt inputs to past received signals. We derive a new outer bound to demonstrate that the optimal degrees of freedom (DoF, also known as the multiplexing gain) is $K$: full-duplex operation doubles the DoF, but interaction does not further increase the DoF. We next characterize the DoF of the $K$-pair-user TWIC with a MIMO, full-duplex relay. If the relay is non-causal/instantaneous (at time $k$ forwards a function of its received signals up to time $k$) and has $2K$ antennas, we demonstrate a one-shot scheme where the relay mitigates all interference to achieve the interference-free $2K$ DoF. In contrast, if the relay is causal (at time $k$ forwards a function of its received signals up to time $k-1$), we show that a full-duplex MIMO relay cannot increase the DoF of the $K$-pair-user TWIC beyond $K$, as if no relay or interaction is present. We comment on reducing the number of antennas at the instantaneous relay.

研究の動機と目的

• Kペアユーザーのフルデュプレックス二方向干渉チャネル（TWIC）における自由度（DoF）を特定すること。
• ユーザー間の相互作用やMIMOリレータの存在が、フルデュプレックス動作のみで達成可能なDoFをさらに上回るかを調査すること。
• 非因果的および因果的フォワーディング制約下でのフルデュプレックスMIMOリレータによるDoF向上を同定すること。
• 最大DoF 2Kを達成するために、非因果的リレータに必要な最小アンテナ数を特定すること。
• 実用的フルデュプレックス動作下における双方向マルチユーザー干渉ネットワークにおけるDoFの根本的限界を確立すること。

提案手法

• ユーザー間の相互作用がDoFをKを超えて増加させないことを示すために、KペアユーザーTWICにおけるDoFの新たな外部境界を導出する。
• 2Kアンテナを備えた非因果的MIMOリレータを用いたワンショット伝送方式を提案し、干渉を完全にキャンセルすることで2K DoFを達成する。
• DoF解析を簡素化し、逆問題境界を導出するために、ユーザー2K-1を仮想リレータとして用いた変換されたネットワークモデルを用いる。
• エントロピーおよび相互情報量の境界を含む情報理論的不等式を適用し、信号依存関係と干渉キャンセレーションを分析する。
• 非因果的（即時）および因果的（遅延あり）リレーフォワーディングモデルを区別し、DoF性能を比較する。
• チャネルの対称的変換を用いて主要な干渉項を分離し、和レート境界を導出し、DoFに関する結論に至る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kペアユーザーのフルデュプレックス二方向干渉チャネルにユーザー相互作用を含めた場合、達成可能な最大自由度（DoF）は何か？
• RQ2 フルデュプレックスTWICにおけるユーザー間の相互作用は、フルデュプレックス動作による倍増効果を超えてDoFを増加させられるか？
• RQ3 KペアユーザーのフルデュプレックスTWICにフルデュプレックスMIMOリレータを導入した場合のDoF向上は何か？また、リレータの因果性はこの向上にどのように影響するか？
• RQ4 非因果的MIMOリレータが2Kアンテナ未満の場合、依然として完全な2K DoFを達成できるか？2Kが最小要件であるか？
• RQ5 因果的MIMOリレータがKペアユーザーのフルデュプレックスTWICにおいて、DoFをKを超えて増加させるか？

主な発見

• リレータなしのKペアユーザーのフルデュプレックスTWICにおけるDoFはKであり、フルデュプレックス動作により半二重方式に比べてDoFが倍増するが、ユーザー間の相互作用はこれ以上の増加をもたらさない。
• 2Kアンテナを備えた非因果的MIMOリレータを用いたワンショット方式により、干渉を完全にキャンセルし、DoFを2Kに増加させることができる。
• 因果的MIMOリレータは、フルデュプレックス動作であってもDoFをKを超えて増加させることができず、リレータなしのシステムと同等のDoFに留まる。
• 因果的リレータの場合の逆問題証明により、他の2K-1ユーザー（含むクロス方向信号）からの干渉がDoFをKに制限することが示された。
• ネットワークの非対称性に対してもDoF結果は頑健であり、一般性を失わず任意のレートペアの和を取ることで示された。
• 非因果的リレータのアンテナ数を減らすと、達成可能なDoFが低下するか、追加の認知能力が必要になる可能性があり、このような場合のDoF限界は未解決のままである。