[论文解读] Degrees of Freedom of the MIMO Interference Channel with Cooperation and Cognition

Chia-Chi Huang, Syed A. Jafar|ArXiv.org|Mar 12, 2008

Wireless Communication Security Techniques参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文研究了在协作与认知消息共享条件下，两用户MIMO高斯干扰信道中的自由度（DOF）。研究结果表明，无论在发射端、接收端或两者均协作，其DOF均不会超过非协作情况下的值；而认知消息共享可显著提升DOF，尤其当某一用户具备认知发射机而非认知接收机时，增益更为明显。

ABSTRACT

In this paper, we explore the benefits, in the sense of total (sum rate) degrees of freedom (DOF), of cooperation and cognitive message sharing for a two-user multiple-input-multiple-output (MIMO) Gaussian interference channel with $M_1$, $M_2$ antennas at transmitters and $N_1$, $N_2$ antennas at receivers. For the case of cooperation (including cooperation at transmitters only, at receivers only, and at transmitters as well as receivers), the DOF is $\min \{M_1+M_2, N_1+N_2, \max(M_1, N_2)), \max(M_2, N_1)\}$, which is the same as the DOF of the channel without cooperation. For the case of cognitive message sharing, the DOF is $\min \{M_1+M_2, N_1+N_2, (1-1_{T2})((1-1_{R2}) \max(M_1, N_2) + 1_{R2} (M_1+N_2)), (1-1_{T1})((1-1_{R1}) \max(M_2, N_1) + 1_{R1} (M_2+N_1)) \}$ where $1_{Ti} = 1$ $(0)$ when transmitter $i$ is (is not) a cognitive transmitter and $1_{Ri}$ is defined in the same fashion. Our results show that while both techniques may increase the sum rate capacity of the MIMO interference channel, only cognitive message sharing can increase the DOF. We also find that it may be more beneficial for a user to have a cognitive transmitter than to have a cognitive receiver.

研究动机与目标

• 确定在两用户MIMO干扰信道中，用户协作是否能提升自由度（DOF）。
• 分析认知消息共享对DOF的影响，特别区分认知发射机与认知接收机的作用。
• 推导在各种认知消息共享配置下，(M1, M2, N1, N2) MIMO干扰信道的一般DOF表达式。
• 确定协作是否能克服MIMO干扰信道中分布式处理导致的DOF损失。

提出的方法

• 利用熵功率不等式与信干噪比（SINR）分析，推导出含协作的MIMO干扰信道的DOF上界。
• 应用法诺不等式与互信息界，刻画高信噪比区域下的和速率容量。
• 采用导频辅助协作模型来建模认知消息共享，其中消息非因果地共享给认知节点。
• 在DOF表达式中引入二值指示变量1Ti与1Ri，分别表示认知发射机与接收机状态。
• 推导出闭式DOF表达式，其为四项的最小值：M1+M2、N1+N2，以及涉及(1−1Ti)与(1−1Ri)的认知感知项。
• 通过基于高斯信道特性与条件化下的熵缩减的反证法，验证DOF上界。

实验结果

研究问题

• RQ1 与非协作情况相比，发射端、接收端或两者均协作是否能提升两用户MIMO干扰信道的DOF？
• RQ2 在(M1, M2, N1, N2) MIMO干扰信道中，认知消息共享能否使DOF超越非认知基准？
• RQ3 在DOF增益方面，拥有认知发射机与拥有认知接收机是否存在性能差异？
• RQ4 MIMO干扰信道中所有可能的认知消息共享配置下，DOF区域的一般形式是什么？

主要发现

• 在发射端、接收端或两者均协作的情况下，DOF不会超过min{M1 + M2, N1 + N2, max(M1, N2), max(M2, N1)}，与非协作情况相同。
• 认知消息共享可提升DOF，总DOF由η = min{M1+M2, N1+N2, (1−1T2)((1−1R2)max(M1,N2)+1R2(M1+N2)), (1−1T1)((1−1R1)max(M2,N1)+1R1(M2+N1))}给出。
• 认知消息共享带来的DOF增益具有非对称性：拥有认知发射机通常比拥有认知接收机更具优势。
• 当N2 ≥ M1时，DOF上界为N2；当M1 > N2时，上界变为M1，因此有η ≤ max(M1, N2)，另一用户同理。
• 所有认知发射机与接收机配置组合下的DOF区域均被完整刻画，表明认知能力可被战略性地利用以提升频谱效率。
• 研究结果推广了单天线及对称MIMO干扰信道的既有发现，证实认知能力相较于协作具有根本性的DOF优势。