[论文解读] Interference Mitigation Through Limited Receiver Cooperation

I-Hsiang Wang, David Tse|ArXiv.org|Nov 11, 2009

Wireless Communication Security Techniques参考文献 16被引用 14

一句话总结

本文研究了在有限接收机协作下的两用户高斯干扰信道中的干扰抑制问题，提出了一种结合叠加编码与量化-编码-转发策略的新型协作协议。研究证明，在线性区域中，接收机协作可带来自由度增益（每比特协作带来约一比特的数据速率增益），在饱和区域带来功率增益，且在所有信道参数下，容量区域均与最优值相差不超过2比特。

ABSTRACT

Interference is a major issue limiting the performance in wireless networks. Cooperation among receivers can help mitigate interference by forming distributed MIMO systems. The rate at which receivers cooperate, however, is limited in most scenarios. How much interference can one bit of receiver cooperation mitigate? In this paper, we study the two-user Gaussian interference channel with conferencing decoders to answer this question in a simple setting. We identify two regions regarding the gain from receiver cooperation: linear and saturation regions. In the linear region receiver cooperation is efficient and provides a degrees-of-freedom gain, which is either one cooperation bit buys one more bit or two cooperation bits buy one more bit until saturation. In the saturation region receiver cooperation is inefficient and provides a power gain, which is at most a constant regardless of the rate at which receivers cooperate. The conclusion is drawn from the characterization of capacity region to within two bits. The proposed strategy consists of two parts: (1) the transmission scheme, where superposition encoding with a simple power split is employed, and (2) the cooperative protocol, where one receiver quantize-bin-and-forwards its received signal, and the other after receiving the side information decode-bin-and-forwards its received signal.

研究动机与目标

• 理解在两用户高斯干扰信道中，有限接收机协作可抑制多少干扰。
• 刻画协作速率与性能增益之间在干扰受限无线网络中的基本权衡关系。
• 设计一种协作协议，可在所有信道参数下，以恒定间隙逼近容量。
• 基于协作效率，识别出两种不同的工作模式——线性模式与饱和模式。

提出的方法

• 传输方案采用与非协作情况类似的固定功率分配的叠加编码，在两个发射机处对消息进行编码。
• 协作协议采用两阶段量化-编码-转发策略：一个接收机对收到的信号进行量化并转发给另一个接收机，后者解码后将已解码的公共消息的比特组索引反馈回去。
• 该协议避免了传统的解码-转发与压缩-转发方式，通过在接收端直接解码源消息，从而提升性能。
• 分析采用信息论界，包括基于Han-Kobayashi区域的外界和基于所提方案的内界。
• 在所有信噪比（SNR）和干扰电平下，容量区域与外界之间的差距不超过2比特，且在高SNR时该差距更小。
• 通过渐近分析与数值评估验证了该方法，表明在高SNR时该差距趋于消失。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限接收机协作对两用户高斯干扰信道中的自由度与和速率有何影响？
• RQ2 协作速率与干扰抑制增益之间的基本权衡关系是什么？
• RQ3 能否设计一种协作协议，使其在所有信道参数下均以恒定间隙逼近容量？
• RQ4 协作的两种不同工作模式是什么？它们在性能扩展特性上如何不同？
• RQ5 为何传统压缩-转发与解码-转发方案在此场景下无法实现与最优值的恒定间隙？

主要发现

• 本文在所有信道参数下，建立了所提可实现速率区域与容量区域外界之间的2比特间隙。
• 在线性区域中，每比特协作可带来约一比特的数据速率增益，对应于自由度的提升。
• 在饱和区域中，协作仅提供恒定的功率增益，与协作速率无关，表明收益递减。
• 与外界的间隙最多为1.5比特（≤ 1/2 log 3 + 1），且在高SNR时相对于容量趋于消失。
• 所提出的量化-编码-转发协议优于传统方案，因为它使接收端能够直接解码源消息。
• 渐近分析表明，与最优值的差距是有界的，并在高SNR时趋于消失，且归一化速率差的极限为1（当SNR/INR < 1时）或α（当SNR/INR > 1时）。