[论文解读] The Degrees of Freedom of the 2-Hop, 2-User Interference Channel with Feedback

Chinmay S. Vaze, Mahesh K. Varanasi|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文证明，在两种反馈模型下，两跳两用户干扰信道（含反馈）可实现 4/3 多普勒自由度（DoF）：一是源端具有延迟信道状态信息（延迟 CSI-S），二是中继端具有有限香农反馈。针对延迟 CSI-S 模型，提出回溯式干扰对齐；针对有限反馈模型，提出回溯协作式干扰对齐。两种方案均在发射端信道知识不完整或延迟的情况下实现最优 DoF。

ABSTRACT

The layered two-hop, two-flow interference network is considered that consists of two sources, two relays and two destinations with the first hop network between he sources and the relays and the second hop network between relays and destinations both being i.i.d. Rayleigh fading Gaussian interference channels. Two feedback models are studied. In the first one, called the delayed channel state information at the sources (delayed CSI-S) model, the sources know all channel coefficients with a finite delay but the relays have no side information whatsoever. In the second feedback model, referred to as the limited Shannon feedback model, the relays know first hop channel coefficients instantaneously and the second hop channel with a finite delay and one relay knows the received signal of one of the destinations with a finite delay and the other relay knows the received signal of the other destination with a finite delay but there is no side information at the sources whatsoever. It is shown in this paper that under both these settings, the layered two-hop, two-flow interference channel has 4/3 degrees of freedom. The result is obtained by developing a broadcast-channel-type upper-bound and new achievability schemes based on the ideas of retrospective interference alignment and retro-cooperative interference alignment, respectively.

研究动机与目标

• 表征在具有延迟或部分信道状态信息的实际反馈模型下，两跳两用户干扰信道的自由度（DoF）。
• 研究在发射端无即时信道状态信息（CSI）时，干扰对齐是否仍可实现，特别是在具有反馈的中继网络中。
• 提出新型传输策略，在延迟或部分 CSI 条件下实现最优 DoF，优于以往依赖完美即时 CSI 的结果。
• 证明即使反馈受限，例如中继端仅具有延迟的信道知识及延迟的接收端输出反馈，总 DoF 仍保持为 4/3，高于无 CSI 时可实现的 1 DoF。

提出的方法

• 针对延迟 CSI-S 模型，提出一种回溯式干扰对齐方案：源端具有延迟的全局 CSI，而中继端无 CSI，通过利用过去时隙的信道状态信息，在时间维度上实现干扰对齐。
• 针对有限香农反馈模型，提出一种回溯协作式干扰对齐方案：中继端具有第一跳的即时 CSI 和第二跳的延迟 CSI，同时延迟获知每个接收端的信号输出。
• 采用三时隙传输协议：第一时隙发送数据，第二时隙中继转发延迟信号，第三时隙中继解码并重新发送无干扰预编码信号。
• 中继端利用延迟的信道系数和接收端输出解码四个数据符号，然后计算并转发预编码干扰信号，以在接收端实现零 forcing。
• 通过数据符号与信道系数的线性组合，在接收端实现干扰对齐，同时保持对期望信号的可解码性。
• 利用中继端可基于历史观测与信道状态信息计算干扰项的特性，实现在接收端的协作对消。

实验结果

研究问题

• RQ1 当发射端仅有延迟 CSI 而无即时信道知识时，两跳两用户干扰信道是否可实现超过 1 DoF？
• RQ2 当中继端仅具有有限反馈（如延迟的第二跳信道系数和延迟的接收端输出）时，两跳干扰信道的最优 DoF 是多少？
• RQ3 在多跳网络中，能否在无发射端即时 CSI 的条件下，通过反馈与回溯信号处理实现干扰对齐？
• RQ4 在 CSI 延迟或部分可用的实际反馈模型下，4/3 DoF 上限是否可实现？

主要发现

• 在延迟 CSI-S 反馈模型下，两跳两用户干扰信道可实现 4/3 自由度，其中源端具有延迟的全局 CSI，中继端无 CSI。
• 在有限香农反馈模型下，当中继端具有延迟的第二跳信道知识及每个接收端的延迟输出时，DoF 仍保持为 4/3。
• 所提出的回溯式干扰对齐方案通过利用过去信道状态信息在时间维度上对齐干扰，在延迟 CSI-S 设置下实现 DoF 最优性。
• 在有限香农反馈模型下，回溯协作式干扰对齐方案使中继端能够解码数据符号，并利用延迟反馈在接收端预取消干扰。
• 两种方案均在源端与中继端均无即时 CSI 的情况下实现 DoF 最优性，表明反馈可在衰落网络中恢复频谱效率。
• 4/3 DoF 结果为紧致上界，与基于广播信道类型论证推导出的上界一致，确认其为该反馈模型下的理论极限。