[论文解读] Interference Channel with State Information

Lili Zhang, Jiang, Jinhua+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2011

Wireless Communication Security Techniques参考文献 15被引用 5

一句话总结

该论文提出两种新型编码方案——同时编码与叠加编码，结合速率分割和Gel'fand-Pinsker编码，用于非因果已知状态信息的两用户干扰信道。在高斯情形下，引入广义脏纸编码实现主动干扰消除，显著扩大了可实现速率区域，尤其在强干扰和混合干扰情形下效果显著。

ABSTRACT

In this paper, we study the state-dependent two-user interference channel, where the state information is non-causally known at both transmitters but unknown to either of the receivers. We first propose two coding schemes for the discrete memoryless case: simultaneous encoding for the sub-messages in the first one and superposition encoding in the second one, both with rate splitting and Gel'fand-Pinsker coding. The corresponding achievable rate regions are established. Moreover, for the Gaussian case, we focus on the simultaneous encoding scheme and propose an \emph{active interference cancellation} mechanism, which is a generalized dirty-paper coding technique, to partially eliminate the state effect at the receivers. The corresponding achievable rate region is then derived. We also propose several heuristic schemes for some special cases: the strong interference case, the mixed interference case, and the weak interference case. For the strong and mixed interference case, numerical results are provided to show that active interference cancellation significantly enlarges the achievable rate region. For the weak interference case, flexible power splitting instead of active interference cancellation improves the performance significantly.

研究动机与目标

• 解决在状态相关干扰下，状态信息非因果性地由发射端已知但接收端未知时的容量差距问题。
• 将现有点对点状态相关信道技术（如Gel'fand-Pinsker编码与脏纸编码）扩展至多用户干扰信道场景。
• 开发利用发射端状态知识以减轻干扰并提升频谱效率的实用编码策略。
• 表征离散无记忆与高斯干扰信道在状态存在下的可实现速率区域，包括强干扰、混合干扰与弱干扰情形的特例启发式方法。

提出的方法

• 提出两种编码方案：一种采用子消息的联合编码，另一种采用叠加编码，两者均与速率分割和Gel'fand-Pinsker编码结合。
• 通过引入辅助随机变量（U, V, Q）与状态S的互信息约束，推导出离散无记忆干扰信道在状态存在下的可实现速率区域。
• 在高斯情形下引入主动干扰消除，作为脏纸编码的推广，利用功率分配在接收端部分消除公共加性高斯状态。
• 通过跨传输策略的时间共享，扩大强干扰、混合干扰与弱干扰情形下的可实现速率区域。
• 针对由公共与私有消息构成的多个接入信道（MAC），优化脏纸编码参数以最大化和速率。
• 在弱干扰情形下采用逐次检测与功率分割以提升性能，替代主动消除方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用非因果性地由发射端已知的状态信息，在两用户干扰信道中提升频谱效率？
• RQ2 当两个发射端均预先知晓状态时，离散无记忆与高斯干扰信道在状态存在下的可实现速率区域为何？
• RQ3 在何种场景下，通过广义脏纸编码实现的主动干扰消除优于传统方案？
• RQ4 基于速率分割与功率分配的启发式策略如何在弱、强与混合干扰情形下提升性能？
• RQ5 优化脏纸编码参数与时间共享对状态相关干扰信道中可实现速率区域的影响为何？

主要发现

• 所提出的结合速率分割与Gel'fand-Pinsker编码的联合编码方案，在离散无记忆情形下实现了比传统方案更大的可实现速率区域。
• 在高斯情形下，通过广义脏纸编码实现的主动干扰消除显著扩大了可实现速率区域，尤其在强干扰与混合干扰情形下效果突出。
• 数值结果表明，主动干扰消除在强干扰与混合干扰情形下提供了显著的速率增益，性能提升相对于基准方案可量化。
• 在弱干扰情形下，灵活的功率分割优于主动干扰消除，通过平衡干扰与信号功率实现了更高的频谱效率。
• 在强干扰与混合干扰场景中，通过跨优化传输策略的时间共享进一步扩展了可实现速率区域。
• 在合理选择概率分布下，推导出的速率约束被证明为非负，确保在块长增加时误码概率趋于零。