[논문 리뷰] Approximate Capacity Region of the MAC-IC-MAC.

Yimin Pang, Mahesh K. Varanasi|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 08.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중접속이 각 셀에 존재하고 교차링크 간섭이 있는 두 셀 간섭채널(MAC-IC-MAC)의 근사 용량 영역을 규명한다. 수퍼포지션 인코딩과 단일 사용자 인코딩을 활용하여 가우시안 케이스에서 용량 영역과의 격차가 1비트 이내인 전송률 영역을 달성한다. 대칭적인 일반화된 도메인도자수(GDoF)는 간섭 수준이 변화함에 따라 V자형 프로파일을 보이며, 간섭이 없는 송신기가 고유한 전력 수준에 접근함으로써 향상된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중접속과 교차링크 간섭이 있는 두 셀 간섭채널(MAC-IC-MAC)의 근사 용량 영역을 규명하는 것.
• 기존의 반결정론적 및 가우시안 간섭채널 결과를 다중 사용자 다중접속 환경으로 확장하는 것.
• 다양한 간섭 수준과 사용자 수에 따라 대칭적인 가우시안 MAC-IC-MAC의 일반화된 도메인도자수(GDoF)를 분석하는 것.
• 간섭이 없는 송신기가 시간공유를 초월하여 스펙트럼 효율을 향상시키는 데 기여하는 역할을 분석하는 것.

제안 방법

• 간섭하는 송신기에서는 수퍼포지션 인코딩, 간섭이 없는 송신기에서는 단일 사용자 인코딩을 적용하여 용량 영역과의 정량화된 격차 내 전송률 영역을 달성한다.
• 정량적 채널 모델을 적용하여 GDoF 행동을 분석하고 전력 수준 활용 패턴을 규명한다.
• 간섭 대 신호비(INR/SNR, dB 단위)와 셀당 사용자 수를 함수로 하는 대칭 GDoF를 유도한다.
• 명시적 인코딩 체계를 통해 간섭하는 송신기에서 수퍼포지션 제약으로 인해 접근할 수 없는 고유한 전력 수준에 간섭이 없는 송신기가 접근할 수 있음을 보여준다.
• 간섭하는 송신기와 간섭이 없는 송신기 간의 시간공유가 최적의 GDoF를 달성하는 데 비최적임을 입증한다.
• 평탄한 어깨를 가진 V자형 GDoF 프로파일을 분석하여, 저간섭 및 고간섭 영역에서 스펙트럼 효율이 향상됨을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 사용자 수와 교차링크 간섭을 가진 MAC-IC-MAC의 근사 용량 영역은 무엇인가?
• RQ2 간섭 강도와 사용자 수에 따라 대칭적인 가우시안 MAC-IC-MAC의 일반화된 도메인도자수(GDoF)는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 간섭이 없는 송신기가 시간공유를 초월하여 도메인도자수에 기여할 수 있는가?
• RQ4 수퍼포지션 인코딩 제약은 간섭하는 송신기와 간섭이 없는 송신기의 전력 수준 활용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 어떤 간섭 조건에서 간섭이 없는 송신기가 대칭 합 GDoF를 향상시키는가?

주요 결과

• 반결정론적 MAC-IC-MAC의 경우, 수퍼포지션 및 단일 사용자 인코딩을 통해 용량 영역과의 정량화된 격차 내 전송률 영역을 달성한다.
• 가우시안 MAC-IC-MAC의 경우, 제안된 인코딩 체계로 용량 영역과의 격차가 1비트 이내인 전송률 영역을 달성한다.
• 가우시안 MAC-IC-MAC의 대칭 일반화된 도메인도자수(GDoF)는 간섭 강도에 따라 V자형 프로파일을 보이며, 평탄한 어깨를 가진다.
• 수퍼포지션 인코딩 제약으로 인해 간섭하는 송신기가 접근할 수 없는 고유한 전력 수준에 간섭이 없는 송신기가 접근함으로써 대칭 합 GDoF가 셀당 최대 1도메인도자수까지 향상된다.
• 간섭하는 송신기와 간섭이 없는 송신기 간의 시간공유가 GDoF 최적화에 비최적임을 입증하였으며, 특히 저간섭 및 고간섭 영역에서 두드러진다.
• 간섭이 충분히 약하거나 강할 경우, 간섭이 없는 송신기는 단순한 도메인도자수 공유자가 아니라 스펙트럼 효율을 능동적으로 향상시킨다.