[论文解读] Capacity Bounds and Exact Results for the Cognitive Z-interference Channel

Nan Liu, Ivana Marić+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2011

Wireless Communication Security Techniques被引用 7

一句话总结

本文建立了离散无记忆认知Z干扰信道容量的上界，证明当非干扰链路为确定性时该上界为紧致。研究表明，为最小化干扰影响，认知发射机与非认知发射机分别需要采用叠加编码与Gel'fand-Pinsker编码。在广义Gel'fand-Pinsker条件下，本文推导出了精确容量。

ABSTRACT

We study the discrete memoryless Z-interference channel (ZIC) where the transmitter of the pair that suffers from interference is cognitive. We first provide an upper bound on the capacity of this channel. We then show that, when the channel of the transmitter-receiver pair that does not experience interference is deterministic, our proposed upper bound matches the known lower bound provided by Cao and Chen in 2008. The obtained results imply that, unlike in the Gaussian cognitive ZIC, in the considered channel superposition encoding at the non-cognitive transmitter as well as Gel'fand-Pinsker encoding at the cognitive transmitter are needed in order to minimize the impact of interference. As a byproduct of the obtained capacity region, we obtain the capacity under the generalized Gel'fand-Pinsker conditions where a transmitter-receiver pair communicates in the presence of interference noncausally known at the encoder.

研究动机与目标

• 推导离散无记忆认知Z干扰信道容量的上界，其中被干扰的发射机为认知型。
• 确定该上界在何种条件下变为紧致，特别是当非干扰链路为确定性时。
• 研究编码策略（如叠加编码与Gel'fand-Pinsker编码）在最小化干扰影响中的必要性。
• 在干扰在编码器处非因果已知的广义Gel'fand-Pinsker条件下，刻画容量区域。

提出的方法

• 利用信息论不等式，提出认知Z干扰信道容量的新上界。
• 将Cao和Chen（2008）的下界作为基准，与推导出的上界进行比较。
• 利用非干扰链路的确定性，证明上界与下界相等，从而确立容量。
• 分析非认知发射机采用叠加编码的必要性，以及认知发射机采用Gel'fand-Pinsker编码的必要性。
• 通过上界紧致性，推导出广义Gel'fand-Pinsker条件下的容量区域。
• 在分析中采用标准信息论工具，如互信息、马尔可夫链及辅助随机变量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，所提出的认知Z干扰信道容量上界变为紧致？
• RQ2 为何在此信道中，叠加编码与Gel'fand-Pinsker编码策略均对实现最优性能是必要的？
• RQ3 当非干扰链路为确定性时，认知Z干扰信道的容量如何变化？
• RQ4 在干扰在编码器处非因果已知的广义Gel'fand-Pinsker条件下，精确容量是多少？
• RQ5 在非干扰链路为确定性的条件下，上界是否与已知下界一致？

主要发现

• 当非干扰链路为确定性时，所提出的认知Z干扰信道容量上界与Cao和Chen（2008）的下界一致，从而确立了精确容量。
• 上界紧致性表明，非认知发射机采用叠加编码，认知发射机采用Gel'fand-Pinsker编码，两者均为最小化干扰影响所必需。
• 与高斯情形不同，离散无记忆认知ZIC为实现最优性能，需同时采用两种编码策略。
• 广义Gel'fand-Pinsker条件下，容量区域作为上界紧致性的副产品被完全刻画。
• 结果表明，非干扰信道的确定性是实现容量的关键因素，且所提策略在此条件下有效。
• 分析确认，上界在一般情况下不紧致，但在指定的确定性条件下变为精确。