[논문 리뷰] On the Achievable Rate-Regions for State-Dependent Gaussian Interference Channel

Shahab Ghasemi-Goojani, Hamid Behroozi|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 23.

Wireless Communication Security Techniques인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 송신기에서는 비인과적으로 알려져 있지만 수신기에서는 알려져 있지 않은 두 개의 독립된 상태를 가진 상태 의존성 가우시안 인터패런스 채널을 위한 격자 기반 코딩 체계를 제안한다. 격자 정렬과 구조적 코딩을 활용하여, 신호 대 잡음비(SNR) > 1일 때 대칭 채널에서 용량과 0.661비트 이내의 성능을 달성함으로써, 무한한 상태 분산을 가진 강한 간섭 조건 하에서 거의 용량 수준의 성능을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we study a general additive state-dependent Gaussian interference channel (ASD-GIC) where we consider two-user interference channel with two independent states known non-causally at both transmitters, but unknown to either of the receivers. An special case, where the additive states over the two links are the same is studied in [1], [2], in which it is shown that the gap between the achievable symmetric rate and the upper bound is less than 1/4 bit for the strong interference case. Here, we also consider the case where each channel state has unbounded variance [3], which is referred to as the strong interferences. We first obtain an outer bound on the capacity region. By utilizing lattice-based coding schemes, we obtain four achievable rate regions. Depend on noise variance and channel power constraint, achievable rate regions can coincide with the channel capacity region. For the symmetric model, the achievable sum-rate reaches to within 0.661 bit of the channel capacity for signal to noise ratio (SNR) greater than one.

연구 동기 및 목표

• 양방향 상태 의존성 가우시안 인터패런스 채널의 용량 영역을 규명하는 것. 이 채널은 양측 송신기에서 비인과적으로 알려진 독립적인 가감성 상태를 가진다.
• 강한 간섭 조건 하에서 채널 용량에 가까운 영역을 달성하는 격자 기반 코딩 체계를 개발하는 것.
• 특히 무한한 상태 분산이 존재하는 대칭 구성에서 용량과의 갭을 평가하는 것.
• 무한한 상태 분산의 점점 커지는 경우에 대한 용량 영역에 대한 외부 경계를 수립하는 것.

제안 방법

• 채널 상태가 무한한 분산을 가진 가우시안일 때의 점점 커지는 경우에 대한 용량 영역에 대한 외부 경계를 유도한다.
• 구조적 코드와 내재된 격자 성분을 사용하여 간섭과 상태 신호를 관리하는 네 가지 격자 기반 코딩 체계를 제안한다.
• 모듈로 격자 연산과 간섭 정렬을 활용하여 효과적 잡음 억제 및 신호 검출 개선을 도모한다.
• 암호학적 보조정리를 적용하여 격자 집합 상에서 신호의 균일성을 확보하고 신뢰성 있는 디코딩을 가능하게 한다.
• 최소 평균 제곱 오차(MMSE) 최적화를 통해 효과적 잡음 분산을 최소화하는 전력 할당 파rameter를 선택한다.
• 격자 양자화 신호의 미분 엔트로피와 두 번째 모멘트를 포함하는 상호정보량 표현식을 통해 구현 가능한 전송률을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양방향 상태 의존성 가우시안 인터패런스 채널에서 비인과적으로 알려진 독립 상태를 가진 경우의 용량 영역은 무엇인가?
• RQ2 격자 기반 코딩은 채널 파rameter에 영향을 받지 않고 일정한 갭 이내의 용량에 도달할 수 있는가?
• RQ3 무한한 상태 분산이 존재하는 강한 간섭 영역에서 격자 코딩의 성능은 알려진 외부 경계와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 격자 기반 체계가 정확한 용량 영역을 달성하는 조건는 무엇인가?
• RQ5 대칭 구성에서 구현 가능한 합산 전송률과 진정한 용량 사이의 최대 갭은 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 격자 기반 코딩 체계는 SNR > 1일 때 대칭 채널에서 채널 용량과 0.661비트 이내의 합산 전송률을 달성한다.
• 대칭 모델에서 잡음 분산과 전력 제약 조건이 특정 조건을 만족할 경우, 구현 가능한 전송률 영역은 용량 영역과 일치한다.
• 무한한 상태 분산의 점점 커지는 경우에 대한 외부 경계가 수립되었으며, 이는 성능 평가의 기준이 된다.
• 상태 전력이 충분히 크고, 잡음 분산이 임계 임계 조건을 만족할 경우 체계는 용량을 달성한다.
• 구현 가능한 전송률과 외부 경계 사이의 갭은 유한하며 채널 파rameter에 영향을 받지 않아 다양한 간섭 환경에서의 강건한 성능을 보여준다.
• 특정 전력 및 잡음 조건 하에서 $ R_1 = rac{1}{2} ext{log}^+ rac{P_1 + a_{12}P_2 + N_1}{2N_1 + ( ext{sqrt}(P_1) - ext{sqrt}(a_{12}P_2))^2} $ 의 코너 포인트 전송률이 구현 가능하다.