[论文解读] Interference Alignment and a Noisy Interference Regime for Many-to-One Interference Channels

Viveck R. Cadambe, Syed A. Jafar|ArXiv.org|Dec 15, 2009

Wireless Communication Security Techniques参考文献 31被引用 18

一句话总结

本文識別出離散無記憶多對一干擾通道中的一種嘈雜干擾 régime，其中隨機編碼與將干擾視為噪音可實現總容量，即使在 MIMO 或有限星座調制下亦成立。主要貢獻在於提出一個一般性條件——干擾對其他接收機的隨機退化——在此條件下，透過隨機編碼隱式實現干擾對齊，從而無需使用結構化碼。

ABSTRACT

We study the capacity of discrete memoryless many-to-one interference channels, i.e., K user interference channels where only one receiver faces interference. For a class of many-to-one interference channels, we identify a noisy interference regime, i.e., a regime where random coding and treating interference as noise achieves sum-capacity. Specializing our results to the Gaussian MIMO many-to-one interference channel, which is a special case of the class of channels considered, we obtain new capacity results. Firstly, we extend the noisy interference regime, previously studied for (many-to-one) interference channels with average power constraints on the inputs, to a more general class of inputs. This more general class includes the practical scenario of inputs being restricted to fixed finite-size constellations such as PSK or QAM. Secondly, we extend noisy interference results previously studied in SISO interference channels with full channel state information (CSI) at all nodes, to MIMO and parallel Gaussian many-to-one interference channels, and to fading Gaussian many-to-one interference channels without CSI at the transmitters. While the many-to-one interference channel requires interference alignment, which in turn requires structured codes in general, we argue that in the noisy interference regime, interference is implicitly aligned by random coding irrespective of the input distribution. As a byproduct of our study, we identify a second class of many-to-one interference channels (albeit deterministic) where random coding is optimal (though interference is not treated as noise). The optimality of random coding in this second class of channels is due to an interference resolvability condition which precludes interference alignment and hence obviates the need of structured codes.

研究动机与目标

• 描述離散無記憶多對一干擾通道中的一種嘈雜干擾 régime，其中透過隨機編碼隱式實現干擾對齊。
• 將先前針對單天線系統的嘈雜干擾結果推廣至 MIMO 與平行干擾通道。
• 在平均功率約束與有限星座調制（例如 PSK/QAM）下，建立隨機編碼的總容量最優性。
• 分析接收端無信道狀態資訊（CSI）的衰落高斯多對一干擾通道，顯示隨機編碼在該情形下仍為最優。
• 識別出第二類確定性多對一通道，其中由於多個干擾源的可解碼性，隨機編碼為最優，因而無需干擾對齊。

提出的方法

• 提出隨機退化條件：被干擾接收機所見的干擾加噪音必須是其他接收機信號的隨機退化版本。
• 使用 i.i.d. 高斯輸入的隨機編碼，並在單一被干擾接收機處將干擾視為噪音。
• 應用聯合典型性論證與並集界界，以限制所有可能錯誤訊息組合的誤碼率。
• 採用傅里葉-莫茨金消去法，消除輔助速率參數（Ωᵢ），進而推導出可實現速率區域。
• 推導出誤碼率趨近於零的充分條件：對所有子集 𝒮 ⊆ 𝒦₁，均有 R₁ + ∑ᵢ∈ₛ Ωᵢ ≤ H(Y₁|Uₛᶜ)。
• 證明在嘈雜干擾 régime 下，結構化碼（如格碼）並非必要，因干擾已透過隨機編碼隱式對齊。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多對一干擾通道中，於何種條件下，使用隨機編碼並將干擾視為噪音可實現總容量？
• RQ2 此嘈雜干擾 régime 是否可從單天線高斯通道推廣至 MIMO 與平行干擾通道？
• RQ3 當輸入受限於 PSK 或 QAM 等有限星座調制時，隨機編碼的最優性是否仍成立？
• RQ4 在接收端無 CSI 時，隨機編碼在衰落高斯多對一干擾通道中是否仍為最優？
• RQ5 在干擾對齊不可行的確定性干擾通道中，隨機編碼是否可能為最優？

主要发现

• 存在一種嘈雜干擾 régime，使得在廣泛的離散無記憶多對一干擾通道中，隨機編碼與將干擾視為噪音可實現總容量。
• 此 régime 的條件為：被干擾接收機所見的干擾加噪音，相對於其他接收機的信號為隨機退化。
• 對於 MIMO 與平行干擾通道，只要滿足相同的隨機退化條件，此嘈雜干擾 régime 依然成立。
• 即使輸入受限於有限星座調制（如 PSK/QAM），此結果仍成立，超越僅限平均功率約束的範疇。
• 在無接收端 CSI 的衰落高斯通道中，隨機編碼在嘈雜干擾 régime 下仍為最優。
• 識別出第二類確定性多對一通道，其中因多個干擾源的可解碼性，隨機編碼為最優，因而無需使用結構化碼。