[论文解读] Approximate Capacity Region of the MAC-IC-MAC.

Yimin Pang, Mahesh K. Varanasi|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Wireless Communication Security Techniques参考文献 26被引用 4

一句话总结

该论文为一种带有小区内多址接入和交叉链路干扰的双小区干扰信道（MAC-IC-MAC）建立了近似容量区域。通过叠加编码和单用户编码，该方案在高斯情形下实现了与容量相差不到1比特的速率区域，对称广义自由度（GDoF）呈现V形特征，且通过非干扰发射机接入独特功率级而得到改善。

ABSTRACT

An approximate capacity region is established of a class of interfering multiple access channels consisting of two multiple-access channels (MACs), each with an arbitrary number of users, with interference from one of the transmitters of one MAC to the receiver of the other MAC, which we refer to henceforth as the MAC-IC-MAC. It is shown that, for the semi-deterministic MAC-IC-MAC, single-user coding at the non-interfering transmitters in each MAC and superposition coding at the interfering transmitter of each MAC achieves a rate region that is within a quantifiable gap of the capacity region, thereby generalizing the result by Telatar and Tse for the 2-user semi-deterministic interference channel. Next, with an explicit coding scheme, we establish an approximate capacity region that is within a one-bit gap of the capacity region for the Gaussian MAC-IC-MAC, thereby extending the work by Etkin et al for the two-user Gaussian interference channel. The symmetric generalized degrees of freedom (GDoF) of the symmetric Gaussian MAC-IC-MAC with more than one user per cell, which is a function of the interference strength (the ratio of INR to SNR at high SNR, both expressed in dB) and the numbers of users in each cell, is V-shaped with flat shoulders. An analysis based on the deterministic method shows that, when interference is sufficiently weak or strong, the non-interfering transmitters are not mere sharers of the degrees of freedom with the interfering transmitters. They instead also utilize power levels that cannot be accessed by interfering transmitters (due to the restriction of superposition coding), thereby improving the symmetric sum GDoF to up to one degree of freedom per cell under a range of SINR exponent levels. Time sharing between interfering and non-interfering transmitters is suboptimal.

研究动机与目标

• 表征具有多址接入和交叉链路干扰的双小区干扰信道（MAC-IC-MAC）的近似容量区域。
• 将先前关于半确定性与高斯干扰信道的研究成果扩展至多用户多址接入场景。
• 分析在不同干扰水平和用户数量下，对称高斯MAC-IC-MAC的广义自由度（GDoF）。
• 研究非干扰发射机在提升频谱效率方面的作用，超越时分复用的性能。

提出的方法

• 在干扰发射机采用叠加编码、在非干扰发射机采用单用户编码，以实现与容量相差可量化的速率区域。
• 应用确定性信道模型分析GDoF行为并识别功率级利用模式。
• 推导对称GDoF作为干扰与信号功率比（INR/SNR，单位为dB）及每小区用户数的函数。
• 通过显式编码方案表明，由于叠加编码约束，非干扰发射机可访问干扰发射机无法使用的独特功率级。
• 证明在干扰发射机与非干扰发射机之间采用时分复用无法实现最优GDoF。
• 分析具有平坦肩部的V形GDoF特性，表明在低干扰和高干扰区域频谱效率得到提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于任意用户数和交叉链路干扰的MAC-IC-MAC，其近似容量区域是什么？
• RQ2 对称高斯MAC-IC-MAC的广义自由度（GDoF）如何随干扰强度和用户数变化？
• RQ3 非干扰发射机能否在时分复用之外的机制下贡献额外的自由度？
• RQ4 叠加编码约束对干扰发射机与非干扰发射机的功率级利用有何影响？
• RQ5 在何种干扰条件下，非干扰发射机可增强对称和GDoF？

主要发现

• 对于半确定性MAC-IC-MAC，叠加编码与单用户编码可实现与容量区域相差可量化的速率区域。
• 对于高斯MAC-IC-MAC，所提出的编码方案可实现与容量区域相差不到1比特的速率区域。
• 高斯MAC-IC-MAC的对称广义自由度（GDoF）随干扰强度呈现V形特征，且具有平坦肩部。
• 由于叠加编码约束，非干扰发射机可访问干扰发射机无法利用的唯一功率级，从而将对称和GDoF提升至每小区最多1个自由度。
• 在干扰发射机与非干扰发射机之间采用时分复用无法实现最优GDoF，尤其在低干扰和高干扰区域表现更差。
• 当干扰足够弱或足够强时，非干扰发射机并非仅作为自由度共享者，而是主动提升频谱效率。