[논문 리뷰] New inner and outer bounds for the discrete memoryless cognitive interference channel and some capacity results

Stefano Rini, Daniela Tuninetti외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 23.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 31인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 이산 메모리리스 인지 간섭 채널에 대해 새로운 계산 가능한 외부 경계와 더 큰 구현 가능한 비율 영역을 제시한다. 보조 랜덤 변수가 없는 새로운 외부 경계를 도입하여, '더 나은 인지 복원' 영역에서의 용량을 확립하고, 인지 수신기의 출력이 입력의 결정적 함수인 반정적 결정성 인지 간섭 채널을 완전히 특성화한다. 이는 Gelf'and-Pinsker 분할과 동시에 간섭 제거를 위한 공동 코드북 설계를 통해 달성된다.

ABSTRACT

The cognitive interference channel is an interference channel in which one transmitter is non-causally provided with the message of the other transmitter. This channel model has been extensively studied in the past years and capacity results for certain classes of channels have been proved. In this paper we present new inner and outer bounds for the capacity region of the cognitive interference channel as well as new capacity results. Previously proposed outer bounds are expressed in terms of auxiliary random variables for which no cardinality constraint is known. Consequently it is not possible to evaluate such outer bounds explicitly for a given channel model. The outer bound we derive is based on an idea originally devised by Sato for the broadcast channel and does not contain auxiliary random variables, allowing it to be more easily evaluated. The inner bound we derive is the largest known to date and is explicitly shown to include all previously proposed achievable rate regions. This comparison highlights which features of the transmission scheme - which includes rate-splitting, superposition coding, a broadcast channel-like binning scheme, and Gel'fand Pinsker coding - are most effective in approaching capacity. We next present new capacity results for a class of discrete memoryless channels that we term the "better cognitive decoding regime" which includes all previously known regimes in which capacity results have been derived as special cases. Finally, we determine the capacity region of the semi-deterministic cognitive interference channel, in which the signal at the cognitive receiver is a deterministic function of the channel inputs.

연구 동기 및 목표

• 보조 랜덤 변수의 기수 제약 조건이 알려져 있지 않아 인지 간섭 채널에 대해 명시적이고 계산 가능한 외부 경계가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 이전에 제안된 모든 구현 가능한 비율 영역을 포함하는 더 큰 통합 내부 경계를 개발하기 위해.
• 새로운 용량 달성 영역, 즉 '더 나은 인지 복원' 영역과 반정적 결정성 인지 간섭 채널을 식별하고 특성화하기 위해.
• Gelf'and-Pinsker 분할이 결정성 채널에서 용량 달성 전략에 사용될 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 방송 채널에서 Sato의 아이디어를 응용하여 보조 랜덤 변수를 제거함으로써 직접 계산 가능한 외부 경계를 유도하기 위해.
• 비율 분할, 수퍼포지션 코딩, 분할, Gelf'and-Pinsker 코딩을 통합하여 이전의 방법을 일반화한 새로운 내부 경계를 구성하기 위해.
• 인지 송신기가 주요 메시지를 알고 있음을 활용하여, 두 수신기에서 동시에 간섭을 제거할 수 있도록 코드워드를 설계하는 전송 전략을 도입하기 위해.
• 결정성 채널 모델을 사용하여 명시적인 코드북 설계를 가능하게 하고, 외부 경계를 달성함으로써 용량을 증명하기 위해.
• 인지 송신기에서 주요 수신기에서의 간섭을 관리하기 위해 Gelf'and-Pinsker 분할을 적용하기 위해.
• 유한 알파벳을 가진 명시적 예시를 통해 구현 가능성 확인을 위해, 출력의 직접 관찰을 통해 복원이 이루어짐을 보여주기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보조 랜덤 변수 없이도 인지 간섭 채널에 대해 계산 가능한 외부 경계를 도출할 수 있는가?
• RQ2 이전의 모든 방법을 일반화하는 가장 큰 알려진 구현 가능한 비율 영역은 무엇인가?
• RQ3 인지 송신기가 주요 메시지의 지식을 가질 때 어떤 조건에서 용량 달성 전송가능성이 이루어지는가?
• RQ4 인지 수신기의 출력이 입력의 결정적 함수인 반정적 결정성 인지 간섭 채널의 용량 영역은 알려져 있는가?
• RQ5 Gelf'and-Pinsker 분할이 결정성 인지 간섭 채널에서 용량 달성 전략에 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 외부 경계는 계산 가능하며 보조 랜덤 변수가 필요 없어, 어떤 채널 모델에 대해서도 명시적으로 평가할 수 있다.
• 새로운 내부 경계는 가장 큰 알려진 경계이며, 이전에 제안된 모든 구현 가능한 비율 영역을 특수 케이스로 포함한다.
• 이전의 '매우 약한' 및 '매우 강한' 간섭 케이스를 일반화하는 새로운 영역인 '더 나은 인지 복원 영역'에서 용량이 확립되었다.
• 인지 수신기의 출력이 입력의 결정적 함수인 반정적 결정성 인지 간섭 채널에 대해 용량 영역이 완전히 특성화되었다.
• 인지 송신기에서 Gelf'and-Pinsker 분할을 사용하여 두 수신기에서 동시에 간섭 제거가 가능한 용량 달성 전략이 제시되었다.
• 유한 알파벳을 가진 명시적 예시가 외부 경계를 달성하여, 일부 결정성 채널에서 외부 경계가 타이트함을 확인하였다.