[论文解读] Fading Broadcast Channels with State Information at the Receivers

David Tse, Roy D. Yates|ArXiv.org|Apr 21, 2009

Wireless Communication Security Techniques参考文献 13被引用 14

一句话总结

本文研究了仅在接收端具备信道状态信息（CSI）而不在发射端的衰落广播信道。提出了一种分层擦除广播信道模型，通过相关比特擦除来刻画衰落特性，利用信道增强技术推导出容量区域的精确表达式，并提出一种二进制扩展叠加（BES）方案，该方案在所有衰落分布下均能实现距离容量6.386 bit/s/Hz以内的速率——在瑞利衰落和间歇性AWGN信道的高信噪比（SNR）下，该差距缩小至1–2 bit/s/Hz。

ABSTRACT

Despite considerable progress on the information-theoretic broadcast channel, the capacity region of fading broadcast channels with channel state known at the receivers but unknown at the transmitter remains unresolved. We address this subject by introducing a layered erasure broadcast channel model in which each component channel has a state that specifies the received signal levels in an instance of a deterministic binary expansion channel. We find the capacity region of this class of broadcast channels. The capacity achieving strategy assigns each signal level to the user that derives the maximum expected rate from that level. The outer bound is based on a channel enhancement that creates a degraded broadcast channel for which the capacity region is known. This same approach is then used to find inner and outer bounds to the capacity region of fading Gaussian broadcast channels. The achievability scheme employs a superposition of binary inputs. For intermittent AWGN channels and for Rayleigh fading channels, the achievable rates are observed to be with 1-2 bits of the outer bound at high SNR. We also prove that the achievable rate region is within 6.386 bits/s/Hz of the capacity region for all fading AWGN broadcast channels.

研究动机与目标

• 解决在仅接收端具备信道状态信息（CSI）而发射端无CSI时，确定衰落广播信道容量区域的开放性问题。
• 克服此类信道缺乏退化或并行结构的问题，从而无法直接应用经典容量结果。
• 构建一个可处理的模型以近似衰落高斯广播信道，并推导其容量区域的内界与外界界。
• 利用信道增强技术建立一个通用外界界，将原始信道转换为已知容量的退化广播信道。
• 提出并分析一种二进制扩展叠加（BES）传输方案，使其在所有衰落分布下均能实现接近外界界的速率。

提出的方法

• 提出一种分层擦除广播信道模型，其中衰落通过在信号二进制展开中对较低有效位进行擦除进行建模，且各比特层级之间的擦除具有相关性。
• 采用信道增强技术，从原始信道构造出一个退化广播信道，从而推导出容量区域的外界界。
• 将增强后的信道应用于衰落高斯广播信道，利用熵功率不等式和互信息界推导出外界界。
• 提出一种二进制扩展叠加（BES）方案，该方案在不同比特层级上叠加二进制输入，并将每个层级分配给能从该层级获得最大期望速率的用户。
• 通过在衰落状态上进行积分并结合互信息表达式，计算可实现的速率，利用信道状态分布决定各比特层级擦除概率的特性。
• 利用变分法和微分熵的性质，推导出可实现速率区域与外界界之间的差距边界，得出最坏情况下的差距为6.386 bit/s/Hz。

实验结果

研究问题

• RQ1 当信道状态信息仅在接收端可用时，衰落广播信道的容量区域是什么？
• RQ2 分层擦除模型能否在保留相关擦除和时变信道增益等关键统计特性的同时，近似衰落高斯广播信道？
• RQ3 如何为非退化、非并行的衰落广播信道推导出容量区域的外界界？
• RQ4 在仅接收端具备CSI的衰落广播信道中，实际传输方案与理论外界界之间的最大可实现速率差距是多少？
• RQ5 所提出的二进制扩展叠加方案在不同衰落分布下，其性能如何随信噪比（SNR）变化？

主要发现

• 所提出的分层擦除广播信道的容量区域被精确推导出，最优策略是将每个比特层级分配给能使其期望速率最大化的用户。
• 通过信道增强技术推导出衰落高斯广播信道的外界界，该技术构建了原始信道的退化版本，从而可应用已知的容量结果。
• 二进制扩展叠加（BES）方案在所有衰落分布下均能实现距离外界界6.386 bit/s/Hz以内的速率，代表了所有可能衰落统计特性下的最坏情况差距。
• 对于瑞利衰落和间歇性AWGN等特定衰落分布，在高信噪比（SNR）下，BES方案实现的速率距离外界界仅为1–2 bit/s/Hz。
• 分层擦除模型提供了一种简化但准确的衰落表示方法，通过相关比特擦除捕捉了信道状态变化的连续特性。
• 分析表明，在实际场景中，可实现速率与外界界之间的差距是紧密的，表明BES方案在许多真实衰落环境中接近最优。