[論文レビュー] Genie Chain and Degrees of Freedom of Symmetric MIMO Interference Broadcast Channels.

Tingting Liu, Chenyang Yang|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 31被引用数 23

ひとこと要約

本稿は、タイトなDoF上界を導出するための新規ジェニーチェーンを導入することで、対称MIMO干渉ブロードキャストチャネル（MIMO-IBC）の情報論的自由度（DoF）を確立する。基地局（BS）とユーザーのアンテナ数比に基づいて2つの領域を特定する。領域Iでは、和DoFは基地局数に線形に増加するが、無限の時間／周波数拡張を要する。領域IIでは、DoFは全アンテナ数によって上限付けられる区分線形関数であり、無限の拡張を要せず線形干渉整合（IA）によって達成可能である。

ABSTRACT

Abstract—In this paper, we study the information theoretic degrees of freedom (DoF) for symmetric multi-input-multi-output interference broadcast channel (MIMO-IBC) with arbitrary con-figuration. We find the maximal DoF achieved by linear inter-ference alignment (IA), and prove when linear IA can achieve the information theoretic maximal DoF. Specifically, we find that the information theoretic DoF can be divided into two regions according to the ratio of the number of antennas at each base station (BS) to that at each user. In Region I, the sum DoF of the system linearly increases with the number of cells, which can be achieved by asymptotic IA but not by linear IA, where infinite time/frequency extension is necessary. In Region II, the DoF is a piecewise linear function, depending on the number of antennas at each BS or that at each user alternately, which can be achieved by linear IA without the need of infinite time/frequency extension, and the sum DoF cannot exceed the sum number of antennas at each BS and each user. We propose and prove the information theoretic DoF upper-bound for general MIMO-IBC including the system settings in Regions I and II, by constructing a useful and smart genie chain. We prove the achievability of the upper-bound in Region II by proposing a unified way to design closed-form linear IA. From the proof we reveal when proper systems are feasible or infeasible and explain why. The approach of the proof can be extended to more general asymmetric MIMO-IBC. Index Terms—Interference alignment (IA), interference broad-cast channel (IBC), degrees of freedom (DoF), genie chain, irre-solvable and resolvable ICIs I.

研究の動機と目的

• 任意のアンテナ構成を有する対称MIMO-IBCの情報論的自由度（DoF）を特定すること。
• 線形干渉整合（IA）が情報論的DoF上限に到達する条件を同定すること。
• 新規のジェニーチェーン構成を用いて一般MIMO-IBCのタイトなDoF上界を確立すること。
• アンテナ比に基づいて、最適DoFを達成可能なシステムが可能または不可能である状況を明らかにすること。
• 領域IIにおける線形IAの統一的閉形式設計を提供し、実用的なDoF最適化を可能とすること。

提案手法

• 一般MIMO-IBCのタイトな情報論的DoF上界を導出するためのスマートなジェニーチェーンの構築。
• 基地局（BS）アンテナ数とユーザーアンテナ数の比に基づいてDoF領域を2つに分割。
• 領域Iでは、DoFが基地局数に線形に増加するが、漸近的IAの実現には無限の時間／周波数拡張を要することを証明。
• 領域IIでは、各基地局およびユーザーのアンテナ数に交互に依存する区分線形関数としてDoFが与えられ、全ノードのアンテナ数によって上限付けられ、無限の拡張を要せず線形IAによって達成可能であることを示す。
• 領域IIで上界に到達する統一的閉形式線形IA設計を提案。
• ジェニーチェーンフレームワークを用いて、干渉の不可解化と解消可能性の条件を特定することで、システムの妥当性を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意のアンテナ構成を有する対称MIMO-IBCの情報論的DoF上界は何か？
• RQ2 どの領域で線形干渉整合（IA）が無限の時間／周波数拡張を要せず情報論的DoF上限に到達可能か？
• RQ3 基地局アンテナ数とユーザーアンテナ数の比は、DoF領域の構造をどのように決定するか？
• RQ4 どのような条件下でシステム構成が最適DoFを達成可能であり、干渉が不可解化されるか？
• RQ5 領域IIでDoF上界に到達する統一的閉形式線形IA設計を構築可能か？

主な発見

• 対称MIMO-IBCの情報論的DoFは、基地局対ユーザーのアンテナ比に基づいて2つの明確な領域に分けられる。
• 領域Iでは、和DoFは基地局数に線形に増加するが、無限の時間／周波数拡張を要する漸近的IAによってのみ達成可能である。
• 領域IIでは、DoFは各基地局または各ユーザーのアンテナ数に交互に依存する区分線形関数であり、各ノードの全アンテナ数によって上限付けられる。
• 線形IAは領域IIで無限の時間／周波数拡張を要せずDoF上界に到達可能であり、実用的に実現可能である。
• 提案されたジェニーチェーン構成は、対称および非対称MIMO-IBC両設定に適用可能なタイトなDoF上界を提供する。
• 解析により、最適DoFを達成可能なシステムの妥当性は、干渉が線形IAによって解消可能かどうかに依存し、不可解な干渉は不適切性を示す。