[论文解读] Capacity of Strong and Very Strong Gaussian Interference Relay-without-delay Channels

Hyunseok Chang, Sae-Young Chung|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文研究高斯干扰中继无延迟信道，其中中继的发送符号依赖于过去和当前接收信号。该文提出一种即时放大转发中继方案，在中继发射功率超过阈值时，可对非常强和强干扰无延迟中继信道实现精确容量——令人惊讶的是，尽管方案极为简单，却实现了精确最优，而传统放大转发方案仅渐近最优。

ABSTRACT

In this paper, we study the interference relay-without-delay channel which is an interference channel with a relay helping the communication. We assume the relay's transmit symbol depends not only on its past received symbols but also on its current received symbol, which is an appropriate model for studying amplify-and-forward type relaying when the overall delay spread is much smaller than the inverse of the bandwidth. For the discrete memoryless interference relay-without-delay channel, we show an outer bound using genie-aided outer bounding. For the Gaussian interference relay-without-delay channel, we define strong and very strong interference relay-without-delay channels and propose an achievable scheme based on instantaneous amplify-and-forward (AF) relaying. We also propose two outer bounds for the strong and very strong cases. Using the proposed achievable scheme and outer bounds, we show that our scheme can achieve the capacity exactly when the relay's transmit power is greater than a certain threshold. This is surprising since the conventional AF relaying is usually only asymptotically optimal, not exactly optimal. The proposed scheme can be useful in many practical scenarios due to its optimality as well as its simplicity.

研究动机与目标

• 分析中继利用当前和过去信道观测进行传输的干扰无延迟中继信道容量。
• 基于高斯干扰信道模型，定义强和非常强干扰无延迟中继信道。
• 为这些信道类别推导新的 genie 辅助外 bound。
• 提出一种简单即时放大转发中继方案，在特定功率和信道条件下实现精确容量。
• 证明在多源多目的干扰场景下，低复杂度中继策略可实现精确最优。

提出的方法

• 本文引入无延迟中继模型，其中中继的发送符号依赖于其当前和过去的接收符号，以建模低延迟放大转发中继。
• 对于离散无记忆信道，通过 genie 辅助技术推导外 bound，其中接收端被赋予中继的接收序列。
• 对于高斯信道，定义了与经典强/非常强干扰信道类似的强和非常强干扰无延迟中继条件。
• 提出一种采用高斯码书、联合非唯一解码和符号级操作的即时放大转发中继方案。
• 通过假设两个接收端均知晓中继的接收信号，为强和非常强情况推导两个外 bound，从而实现更紧密的容量表征。
• 证明当中继发射功率超过阈值时，所提方案可实现精确容量，尤其在非常强情况下。

实验结果

研究问题

• RQ1 在两用户干扰无延迟中继信道中，简单的即时放大转发中继方案能否实现精确容量？
• RQ2 在何种信道条件下，所提方案可实现强和非常强干扰无延迟中继信道的容量？
• RQ3 genie 辅助外 bound 如何改进干扰无延迟中继信道的容量表征？
• RQ4 中继的当前信道观测在实现最优性中起什么作用？与传统中继模型有何不同？
• RQ5 为何所提方案尽管简单却能实现精确最优，而传统放大转发方案仅渐近最优？

主要发现

• 当中继发射功率超过某一阈值时，所提即时放大转发中继方案可对非常强高斯干扰无延迟中继信道实现精确容量。
• 在强干扰情况下，若除功率阈值外还满足信道系数的附加条件，该方案亦可实现容量。
• 通过 genie 辅助技术推导的外 bound 比标准 bound 更紧，尤其在强干扰区域，对证明容量可达性至关重要。
• 该方案的简洁性——基于符号级操作——使其在实际中可行，同时仍实现最优性能。
• 该结果令人惊讶，因为传统放大转发方案仅渐近最优，而此处由于无延迟中继模型和特定信道条件，实现了精确最优。
• 例如，当 h11=h21=hR1=1，h12=h22=hR2=2，且 P=1 时，满足非常强条件，且当 PR≥2/3 时可实现容量。