[论文解读] Incremental Relaying for the Gaussian Interference Channel with a Degraded Broadcasting Relay

Lei Zhou, Wei Yu|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2011

Wireless Communication Security Techniques参考文献 46被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种基于广义哈希-前传（GHF）的增量中继策略，用于具有退化广播中继的两用户高斯干扰广播信道，其中中继通过广播信道与两个接收机通信。结果表明，在弱中继区域，GHF在常数差距内达到容量区域，并通过广义自由度（GDoF）分析揭示了和速率增益，显示每个中继比特根据干扰区域的不同，可贡献约1或2比特的和速率增益。

ABSTRACT

This paper studies incremental relay strategies for a two-user Gaussian relay-interference channel with an in-band-reception and out-of-band-transmission relay, where the link between the relay and the two receivers is modelled as a degraded broadcast channel. It is shown that generalized hash-and-forward (GHF) can achieve the capacity region of this channel to within a constant number of bits in a certain weak relay regime, where the transmitter-to-relay link gains are not unboundedly stronger than the interference links between the transmitters and the receivers. The GHF relaying strategy is ideally suited for the broadcasting relay because it can be implemented in an incremental fashion, i.e., the relay message to one receiver is a degraded version of the message to the other receiver. A generalized-degree-of-freedom (GDoF) analysis in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime reveals that in the symmetric channel setting, each common relay bit can improve the sum rate roughly by either one bit or two bits asymptotically depending on the operating regime, and the rate gain can be interpreted as coming solely from the improvement of the common message rates, or alternatively in the very weak interference regime as solely coming from the rate improvement of the private messages. Further, this paper studies an asymmetric case in which the relay has only a single single link to one of the destinations. It is shown that with only one relay-destination link, the approximate capacity region can be established for a larger regime of channel parameters. Further, from a GDoF point of view, the sum-capacity gain due to the relay can now be thought as coming from either signal relaying only, or interference forwarding only.

研究动机与目标

• 设计一种增量中继策略，利用中继通过退化广播信道同时向两个接收机传输的能力。
• 表征具有带内接收和带外传输的中继的高斯干扰信道的近似容量区域。
• 在高信噪比（SNR）区域分析广义自由度（GDoF），以理解中继协作带来的渐近速率增益。
• 将容量表征扩展至中继仅连接一个接收机的非对称中继配置。
• 量化中继增益是否源于信号中继、干扰前传，或两者兼有，具体取决于信道区域。

提出的方法

• 提出一种广义哈希-前传（GHF）中继策略，支持增量传输，其中中继向一个接收机的传输消息是其向另一接收机传输消息的退化版本。
• 将中继到接收机的链路建模为容量分别为 $ C_1 $ 和 $ C_2 $ 的高斯广播信道，确保一个消息是另一个消息的退化版本。
• 利用叠加编码和脏纸预编码推导可实现速率区域，通过功率分配在私有消息与公共消息之间进行分离。
• 采用标准信息论技术建立容量区域的上界，包括辅助随机变量和互信息表达式的使用。
• 在六种不同的传输区域中计算可实现速率与上界之间的差距，表明所有差距均被常数有界。
• 进行高信噪比（SNR）下的广义自由度（GDoF）分析，揭示中继比特带来的渐近和速率增益。

Figure 4: The GDoF gain due to the relay in a symmetric Gaussian relay-interference channel for the $\alpha=\beta$ case

实验结果

研究问题

• RQ1 广义哈希-前传（GHF）是否能在弱中继区域中，以常数差距内达到具有退化广播中继的高斯干扰信道的容量区域？
• RQ2 在高信噪比区域，和速率如何随中继链路容量变化？每个中继比特对和速率的贡献是多少？
• RQ3 在对称情况下，中继带来的速率增益是源于改善公共消息还是私有消息？这又如何依赖于干扰强度？
• RQ4 当中继仅与一个接收机有单链路时，近似容量区域是什么？和容量增益如何分解为信号中继与干扰前传？
• RQ5 GDoF分析能否区分中继增益是源于中继预期信号还是前传干扰？

主要发现

• 在中继-发射机链路并非远强于干扰链路的弱中继区域，GHF在常数差距内达到中继-干扰信道的容量区域。
• 在对称信道中，每个公共中继比特对和速率的贡献约为1或2比特，具体取决于干扰区域。
• 在极弱干扰区域，和速率增益完全源于私有消息速率的提升；而在其他区域，增益则源于公共消息速率的增强。
• 当中继仅与一个接收机有单链路时，近似容量区域在更广的参数区域内被确立，且和容量增益可分解为信号中继或干扰前传。
• GDoF分析证实，中继增益源于中继预期信号或前传干扰，具体取决于工作区域。
• 可实现速率与上界之间的最大差距被常数有界，具体为 $ \text{max}\big\{\delta_{2R_1+R_2}^{(2C_1,C_2)}, \text{etc.} \big\} $，且每个区域均推导出显式表达式。

Figure 9: Impact of the relay-destination link on sum capacity