[论文解读] Capacity of a Class of Broadcast Relay Channels

Arash Behboodi, Pablo Piantanida|arXiv (Cornell University)|May 4, 2010

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文推导了具有两个中继的广播中继信道（BRC）容量区域的新内界，统一并改进了先前基于Marton编码、向后解码和信息重组合技术的研究工作。本文在具有公共中继的半退化和退化高斯BRC中确定了容量，证明了所提区域在这些情况下的紧致性。

ABSTRACT

Consider the broadcast relay channel (BRC) which consists of a source sending information over a two user broadcast channel in presence of two relay nodes that help the transmission to the destinations. Clearly, this network with five nodes involves all the problems encountered in relay and broadcast channels. New inner bounds on the capacity region of this class of channels are derived. These results can be seen as a generalization and hence unification of previous work in this topic. Our bounds are based on the idea of recombination of message bits and various effective coding strategies for relay and broadcast channels. Capacity result is obtained for the semi-degraded BRC-CR, where one relay channel is degraded while the other one is reversely degraded. An inner and upper bound is also presented for the degraded BRC with common relay (BRC-CR), where both the relay and broadcast channel are degraded which is the capacity for the Gaussian case. Application of these results arise in the context of opportunistic cooperation of cellular networks.

研究动机与目标

• 推导具有两个中继和公共中继的广播中继信道（BRC）容量区域的更紧致内界。
• 统一并改进Kramer等人及以往BRC研究的现有成果。
• 确定具有公共中继的半退化和退化高斯BRC的容量。
• 结合Marton编码、向后解码和信息重组合技术，提出一个通用的可实现速率区域。

提出的方法

• 通过结合Marton编码、向后解码和信息重组合策略，推导出一种新颖的内界。
• 引入辅助随机变量（U, V, X1, X2等）以建模源、中继和接收端之间的依赖关系。
• 在接收端应用向后解码以处理干扰并提高速率界。
• 通过随机变量Q实现时分复用，以优化速率区域。
• 利用互信息和熵不等式来界定可实现速率，特别涉及Y1, Y2, Z1, Z2以及X1, X2。
• 应用功率熵不等式和高斯信道特性，推导出高斯情况下的紧致界。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有两个中继和公共中继的广播中继信道的容量区域是什么？
• RQ2 如何结合广播信道和中继信道的编码策略以提高可实现速率？
• RQ3 所提出的内界是否能在特定类别的BRC中达到容量？
• RQ4 信息重组合和向后解码在提升BRC性能中起什么作用？
• RQ5 在半退化和退化高斯情况下，这些界的行为如何？

主要发现

• 所提出的内界严格优于Kramer等人及早期BRC研究的结果。
• 在具有公共中继的半退化BRC中实现了容量，其中一条中继信道为退化，另一条为反向退化。
• 在具有公共中继的退化BRC中，高斯情况下内界与外界一致，从而确立了容量。
• 所提区域包含广播信道的Marton区域作为特例。
• 由于内界与外界匹配，该推导区域在高斯情况下具有紧致性。
• 采用向后解码和信息重组合显著增强了可实现速率区域。