[论文解读] Genie Chain and Degrees of Freedom of Symmetric MIMO Interference Broadcast Channels.

Tingting Liu, Chenyang Yang|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2013

Wireless Communication Security Techniques参考文献 31被引用 23

一句话总结

本文通过引入一种新颖的干扰删除链（genie chain）来推导出紧致的 DoF 上限，确立了对称 MIMO 干扰广播信道（MIMO-IBC）的信息论自由度（DoF）。根据基站（BS）与用户端的天线数比，该工作识别出两个区域：在区域 I 中，总 DoF 随小区数线性增长，但需要无限的时间/频率扩展；在区域 II 中，DoF 是一个分段线性函数，受总天线数限制，且可通过线性干扰对齐（IA）实现，无需无限扩展。

ABSTRACT

Abstract—In this paper, we study the information theoretic degrees of freedom (DoF) for symmetric multi-input-multi-output interference broadcast channel (MIMO-IBC) with arbitrary con-figuration. We find the maximal DoF achieved by linear inter-ference alignment (IA), and prove when linear IA can achieve the information theoretic maximal DoF. Specifically, we find that the information theoretic DoF can be divided into two regions according to the ratio of the number of antennas at each base station (BS) to that at each user. In Region I, the sum DoF of the system linearly increases with the number of cells, which can be achieved by asymptotic IA but not by linear IA, where infinite time/frequency extension is necessary. In Region II, the DoF is a piecewise linear function, depending on the number of antennas at each BS or that at each user alternately, which can be achieved by linear IA without the need of infinite time/frequency extension, and the sum DoF cannot exceed the sum number of antennas at each BS and each user. We propose and prove the information theoretic DoF upper-bound for general MIMO-IBC including the system settings in Regions I and II, by constructing a useful and smart genie chain. We prove the achievability of the upper-bound in Region II by proposing a unified way to design closed-form linear IA. From the proof we reveal when proper systems are feasible or infeasible and explain why. The approach of the proof can be extended to more general asymmetric MIMO-IBC. Index Terms—Interference alignment (IA), interference broad-cast channel (IBC), degrees of freedom (DoF), genie chain, irre-solvable and resolvable ICIs I.

研究动机与目标

• 确定任意天线配置下对称 MIMO-IBC 的信息论自由度（DoF）。
• 识别线性干扰对齐（IA）实现信息论 DoF 最大值的条件。
• 通过一种新颖的干扰删除链构造，为一般 MIMO-IBC 建立紧致的 DoF 上限。
• 揭示基于天线比，系统在何种情况下可实现或不可实现最优 DoF。
• 为区域 II 提供统一的闭式线性 IA 设计，实现实际的 DoF 优化。

提出的方法

• 构建一种智能干扰删除链，以推导一般 MIMO-IBC 的紧致信息论 DoF 上限。
• 根据基站（BS）天线数与用户天线数的比值，将 DoF 区域划分为两部分。
• 证明在区域 I 中，DoF 随小区数线性增长，但仅能通过需要无限时间/频率扩展的渐近 IA 实现。
• 证明在区域 II 中，DoF 是一个分段线性函数，受每个基站和用户总天线数的限制，且可通过无需无限扩展的线性 IA 实现。
• 提出一种统一的闭式线性 IA 设计，可在区域 II 中实现上界。
• 通过干扰删除链框架分析系统可行性，识别不可约干扰与可解干扰的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于任意天线配置的对称 MIMO-IBC，其信息论 DoF 上限是什么？
• RQ2 在哪些区域中，线性干扰对齐（IA）可在无需无限时间/频率扩展的情况下实现信息论 DoF 最大值？
• RQ3 基站天线数与用户天线数的比值如何决定 DoF 区域的结构？
• RQ4 在何种条件下系统配置可实现最优 DoF？何时干扰为不可约？
• RQ5 能否构建一种统一的闭式线性 IA 设计，以在区域 II 中实现 DoF 上限？

主要发现

• 对称 MIMO-IBC 的信息论 DoF 根据基站与用户天线数比被划分为两个截然不同的区域。
• 在区域 I 中，总 DoF 随小区数线性增加，但仅能通过需要无限时间/频率扩展的渐近 IA 实现。
• 在区域 II 中，DoF 是一个分段线性函数，其值交替依赖于每个基站或每个用户的天线数，且受每个节点总天线数的限制。
• 线性 IA 在区域 II 中可实现 DoF 上限，且无需无限时间/频率扩展，因此具备实际可行性。
• 所提出的干扰删除链构造为对称与非对称 MIMO-IBC 设置均提供了紧致的 DoF 上限。
• 分析表明，系统实现最优 DoF 的可行性取决于干扰是否可通过线性 IA 解决，不可约干扰表明系统不可行。