[논문 리뷰] Gaussian Z-Interference Channel with a Relay Link: Achievability Region and Asymptotic Sum Capacity

Lei Zhou, Wei Yu|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 26.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 24인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 간섭이 없는 수신기에서 간섭을 받는 수신기로 향하는 디지털 릴레이 링크를 갖는 가우시안 Z-간섭채널을 연구하며, 간섭을 완화하기 위해 하이브리드 디코드-앤퍼포드 및 컴프레스-앤퍼포드 전략을 제안한다. 강한 간섭 영역에서는 용량 영역을 규명하고, 약한 간섭 영역에서는 릴레이 비트 하나가 고신호대간섭비 및 고간섭대잡음비 조건에서 점차적으로 합용량을 한 비트 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 용량 제한이 있는 디지털 릴레이 링크가 가우시안 Z-간섭채널의 합용량에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 백홀 링크를 통한 수신기 간 협업이 간섭 제한 무선 네트워크에서 스펙트럼 효율을 어떻게 향상시키는지 조사하는 것.
• 강한 및 약한 간섭 영역 모두에서 용량 영역과 점차적 합용량을 특성화하는 것.
• 셀룰러 업링크 시나리오에서 릴레이 협업을 통한 간섭 완화의 기본 한계를 규명하는 것.

제안 방법

• 한-코바야시의 파wr 스플리팅을 활용한 하이브리드 코딩 전략을 제안하며, 디코드-앤퍼포드 또는 컴프레스-앤퍼포드 릴레이 기법을 조합한다.
• 빈닝과 와이너-지브 코딩을 사용하여 간섭을 받는 수신기에서 신뢰성 있게 간섭을 제거할 수 있도록 한다.
• 파워 스플리팅과 릴레이 포워딩 기반의 실현 가능한 속도 영역을 유도하며, $\alpha$와 $\beta$로 매개변수화한다.
• 컷-세트 경계와 역방향 추론을 적용하여 강한 간섭 영역에서 용량 영역의 최적성을 증명한다.
• 고신호대간섭비 및 고간섭대잡음비 조건에서 점차적 행동을 분석하여 합용량 스케일링을 규명한다.
• 약한 간섭 조건 하에서 실현 가능한 속도 영역의 볼록성을 입증하여 실용적인 최적화를 보장한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간섭이 없는 수신기에서 간섭을 받는 수신기로 향하는 디지털 릴레이 링크를 갖는 가우시안 Z-간섭채널의 용량 영역은 무엇인가?
• RQ2 약한 간섭 영역에서 릴레이 링크 속도가 증가함에 따라 합용량은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 디코드-앤퍼포드 전략이 고신호대간섭비 조건에서 점차적 합용량 최적성을 달성하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 간섭 링크가 강할 경우와 약할 경우, 디지털 릴레이 링크로 인한 합용량 향상의 기본 한계는 무엇인가?
• RQ5 실현 가능한 속도 영역을 볼록화하여 효율적인 계산과 최적화를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 강한 간섭 영역에서는 용량 영역이 완전히 규명되었으며, 다중접속 채널 용량 영역과 일치한다.
• 약한 간섭 영역에서는 고신호대간섭비 및 고간섭대잡음비 조건에서 디코드-앤퍼포드 전략이 점차적으로 합용량 최적성을 달성한다.
• 고신호대간섭비 및 고간섭대잡음비 조건에서 릴레이 비트 하나가 합용량을 약 한 비트 향상시킨다.
• 간섭 링크가 약할 경우, 릴레이로 인한 합용량 향상은 0.5비트 이내로 제한된다.
• 간섭 링크가 강할 경우, 릴레이 속도가 증가함에 따라 합용량 향상은 무한해진다.
• 약한 간섭 조건 하에서 실현 가능한 속도 영역은 볼록하므로 효율적인 수치 최적화가 가능하다.

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