[论文解读] Cooperative Encoding and Decoding of Mixed Delay Traffic under Random-User Activity

Homa Nikbakht, Michèle Wigger+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对随机激活发射机与接收机的Wyner对称干扰网络的协作编码方案，支持延迟敏感（快速）和延迟容忍（慢速）两类业务。通过在D轮内实现发射机与接收机的联合协作，该方案在有限D的情况下对总复 multiplexing gain 的惩罚可忽略不计，同时为快速消息实现全复 multiplexing gain，优于仅通过调度的方案（后者存在线性惩罚）。

ABSTRACT

This paper analyses the multiplexing gain (MG) achievable over Wyner's symmetric network with random user activity and random arrival of mixed-delay traffic. The mixed-delay traffic is composed of delay-tolerant traffic and delay-sensitive traffic where only the former can benefit from transmitter and receiver cooperation since the latter is subject to stringent decoding delays. The total number of cooperation rounds at transmitter and receiver sides is limited to $\\D$ rounds. We derive inner and outer bounds on the MG region. In the limit as $\\D\ o \\infty$, the bounds coincide and the results show that transmitting delay-sensitive messages does not cause any penalty on the sum MG. For finite $\\D$ our bounds are still close and prove that the penalty caused by delay-sensitive transmissions is small.

研究动机与目标

• 分析具有随机用户活动和混合延迟业务的Wyner对称干扰网络中的复 multiplexing gain (MG) 区域。
• 研究当仅延迟容忍（慢速）消息可从协作中受益（因延迟敏感（快速）消息存在严格延迟约束）时，协作对MG的影响。
• 在有限协作轮数D的条件下，推导MG区域的内界与外界界。
• 证明联合发射机与接收机协作可消除快速消息带来的MG惩罚，而仅调度的方案则不能。

提出的方法

• 设计一种两阶段编码方案：第一阶段利用首次发射机协作轮进行预取消干扰，以调度非干扰的快速传输。
• 利用首次接收机协作轮将已解码的快速消息转发至相邻接收机，从而在慢速消息解码前实现干扰抑制。
• 在剩余的D−2轮协作中采用协调多点（CoMP）接收，联合解码慢速消息。
• 通过快速消息专用方案与慢速消息专用方案之间的时分复用，推导内界。
• 建立信息论反向推导，以获得MG区域的外界界。
• 分析在D→∞和有限D情况下的MG区域，证明在完全协作下界的紧致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有随机用户活动和有限协作轮数D的Wyner网络中，混合延迟业务的可实现复 multiplexing gain 区域为何？
• RQ2 与仅调度的策略相比，联合发射机与接收机协作如何影响延迟敏感（快速）消息的复 multiplexing gain 惩罚？
• RQ3 若发射机与接收机在D轮内均协作，是否可保持总复 multiplexing gain 不变，即使传输快速消息？
• RQ4 有限协作轮数D对MG区域的影响如何，特别是在用户活动稀疏（ρ < 1）的情况下？
• RQ5 与仅依赖接收机协作的先前工作相比，该方案有何优势，后者在快速MG上存在线性惩罚？

主要发现

• 当D→∞或所有发射机均激活（ρ=1）时，MG区域的内界与外界界重合，证明传输快速消息不会对总复 multiplexing gain 造成惩罚。
• 对于有限D且ρ=1的情况，可实现的慢速复 multiplexing gain 为S^(S) = (D+1)/(D+2)，随着D增大趋近于1。
• 对于ρ∈(0,1)，可实现的慢速MG为S^(S) = ρ − (1−ρ)ρ^(D+2)/(1−ρ^(D+2))，当D→∞时趋近于ρ。
• 在联合发射机-接收机协作下，快速消息引起的总MG惩罚可忽略不计，而仅调度的算法则存在快速MG的线性惩罚。
• 通过协作在发射端预取消干扰，该方案可为每个快速传输实现全复 multiplexing gain，实现无干扰解码。
• 结果证实，发射端与接收端的联合协作对抑制干扰并消除快速业务的MG惩罚至关重要。