[论文解读] Approximate Capacity of Gaussian Interference-Relay Networks with Weak Cross Links

Soheil Mohajer, Suhas Diggavi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2010

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 16被引用 10

一句话总结

本文针对弱交叉链路的高斯干扰中继网络，建立了近似容量特性，引入了基于结构化格码的干扰对消技术以及一种新颖的网络分解技术。通过使用导频辅助的外 bound 和一种功能解码策略，实现了在 ZS 和 ZZ 网络中容量逼近 2 比特以内，无需在中继处完全解码干扰信号即可实现空中接口的干扰对消。

ABSTRACT

In this paper we study a Gaussian relay-interference network, in which relay (helper) nodes are to facilitate competing information flows over a wireless network. We focus on a two-stage relay-interference network where there are weak cross-links, causing the networks to behave like a chain of Z Gaussian channels. For these Gaussian ZZ and ZS networks, we establish an approximate characterization of the rate region. The outer bounds to the capacity region are established using genie-aided techniques that yield bounds sharper than the traditional cut-set outer bounds. For the inner bound of the ZZ network, we propose a new interference management scheme, termed interference neutralization, which is implemented using structured lattice codes. This technique allows for over-the-air interference removal, without the transmitters having complete access the interfering signals. For both the ZZ and ZS networks, we establish a new network decomposition technique that (approximately) achieves the capacity region. We use insights gained from an exact characterization of the corresponding linear deterministic version of the problems, in order to establish the approximate characterization for Gaussian networks.

研究动机与目标

• 对具有弱交叉链路的两阶段高斯干扰中继网络的近似容量区域进行表征。
• 开发干扰管理技术，实现在中继处无需完全解码即可实现空中接口的干扰对消。
• 建立容量的通用近似，其与信噪比和信道参数无关，恒定差距不超过 2 比特。
• 通过网络分解方法，将线性确定性模型中的洞察推广至噪声高斯网络。
• 利用导频辅助技术，推导出比传统割集界更紧的外 bound。

提出的方法

• 提出一种名为干扰对消的新干扰管理方案，通过使用结构化格码在空中接口实现干扰对消，且无需中继解码干扰信号。
• 采用网络分解技术，将网络划分为子网络，以实现速率分离和各消息分量上的最优功率分配。
• 利用线性确定性模型推导精确容量结果，并将其转化为高斯信道的近似表征。
• 应用导频辅助外 bound 技术，推导出比标准割集界更紧的边界，提升容量区域估计的准确性。
• 引入功能解码策略，使中继解码子消息的函数，从而在接收端实现干扰对消。
• 利用傅里叶-莫茨金消去法，将分解后子网络的可实现速率元组投影至全局速率区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以以恒定差距（≤2 比特）近似表征具有弱交叉链路的两阶段高斯干扰中继网络的容量区域？
• RQ2 如何在不需中继完全解码的情况下实现空中接口的干扰对消？
• RQ3 结构化格码在实现空中接口干扰对消中起到何种作用？
• RQ4 网络分解与速率分离策略如何提升干扰受限中继网络的和速率性能？
• RQ5 导频辅助技术是否可在该类网络中获得比经典割集界更紧的外 bound？

主要发现

• ZS 和 ZZ 高斯网络的容量区域与真实容量的差距在 2 比特以内，且与信噪比和信道参数无关。
• 通过结构化格码实现的干扰对消技术，可在无需中继解码干扰信号的情况下实现空中接口的干扰对消。
• 所提出的网络分解技术可实现最优的速率分离与功率分配，从而达到近似容量区域。
• 导频辅助外 bound 比标准割集界更紧，提升了外近似估计的准确性。
• 在 ZZ 网络中，功能解码策略使一个中继能够解码子消息的函数，从而在接收端实现干扰对消。
• 可实现速率区域通过将两个独立网络分区的速率元组相加获得，最终区域通过傅里叶-莫茨金消去法推导得出。