[论文解读] Interference Relay Channels - Part I: Transmission Rates

Brice Djeumou, E. Veronica Belmega+1 more|ArXiv.org|Apr 16, 2009

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 17被引用 9

一句话总结

本文分析了两个干扰发射机共享一个公共中继的干扰中继信道（IRC）中的传输速率，评估了三种中继协议——放大转发（AF）、解码转发（DF）和估计转发（EF）。推导了每种协议的可实现速率区域，结果表明：对于AF协议，最优性能通过非最大中继功率放大因子实现；对于DF协议，发射机之间因协作程度而自然形成博弈关系。对于EF协议，提出了两种基于压缩的方案，具有不同的分辨率水平，仿真结果验证了在高斯IRC中各类协议的增益。

ABSTRACT

We analyze the performance of a system composed of two interfering point-to-point links where the transmitters can exploit a common relay to improve their individual transmission rate. When the relay uses the amplify-and-forward protocol we prove that it is not always optimal (in some sense defined later on) to exploit all the relay transmit power and derive the corresponding optimal amplification factor. For the case of the decode-and-forward protocol, already investigated in [1], we show that this protocol, through the cooperation degree between each transmitter and the relay, is the only one that naturally introduces a game between the transmitters. For the estimate-and-forward protocol, we derive two rate regions for the general case of discrete interference relay channels (IRCs) and specialize these results to obtain the Gaussian case; these regions correspond to two compression schemes at the relay, having different resolution levels. These schemes are compared analytically in some special cases. All the results mentioned are illustrated by simulations, given in this part, and exploited to study power allocation games in multi-band IRCs in the second part of this two-part paper.

研究动机与目标

• 分析具有两个干扰发射机和一个公共中继的干扰中继信道（IRC）在香农传输速率下的性能。
• 推导高斯IRC和离散IRC中三种中继协议——放大转发（AF）、解码转发（DF）和估计转发（EF）——的可实现速率区域。
• 识别最优中继功率分配策略，特别指出在AF协议中，饱和中继功率并非总是最优。
• 建立DF协议自然诱导发射机之间博弈的机制，其博弈策略取决于与中继的协作程度。
• 比较基于EF的两种压缩方案在不同分辨率水平下的可实现速率性能。

提出的方法

• 通过零延迟标量放大转发（ZDSAF）协议推导高斯IRC的可实现速率区域，证明最优放大因子并不总对应于中继最大发射功率的使用。
• 证明在解码转发（DF）协议中，每个发射机的策略空间由其信号与中继协作信号之间的相关度定义，从而形成自然的博弈论交互。
• 为离散IRC提出两种基于估计转发（EF）的协议，其区别在于压缩分辨率级别的数量：一种为单级分辨率，另一种为双级分辨率，均基于联合典型性与随机编码论证推导得出。
• 应用标准随机编码与典型性解码技术，利用马尔可夫链与信息论界，建立所推导速率区域的可实现性。
• 采用块马尔可夫编码方案，接收机与中继采用连续解码，中继对观测信号进行估计并转发其压缩版本。
• 通过仿真验证理论结果，比较在不同信道条件下AF、DF和EF协议的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 当中继具有功率约束时，在干扰中继信道中，放大转发（AF）协议的最优放大因子是什么？
• RQ2 解码转发（DF）协议如何在IRC中自然诱导发射机之间的博弈？该博弈的策略空间由什么定义？
• RQ3 在离散干扰中继信道中，估计转发（EF）协议的可实现速率区域是什么？不同压缩分辨率水平如何影响性能？
• RQ4 在高斯IRC中，三种中继协议——AF、DF和EF——在可实现传输速率方面的性能如何比较？
• RQ5 中继功率分配对整体系统性能有何影响，特别是在AF协议中？何时全功率传输并非最优？

主要发现

• 对于放大转发（AF）协议，中继的最优放大因子并不总是对应于最大可用发射功率，且存在一种非平凡的功率分配方式可最大化可实现速率区域。
• 在解码转发（DF）协议中，每个发射机与中继之间的协作程度定义了一个博弈，其中每个发射机的策略是其信号与中继重传信号之间的相关度水平。
• 估计转发（EF）协议根据压缩分辨率产生两个不同的可实现速率区域：一个为单分辨率级别，另一个为双分辨率级别，两者均基于联合典型性与随机编码技术推导得出。
• 在高斯情况下，双分辨率EF方案在某些信道区域（特别是强干扰时）优于单分辨率方案。
• 仿真结果证实，在低至中等信噪比（SNR）区域，采用非最大功率放大的最优AF协议比全功率传输实现更高的和速率。
• DF协议表现出自然的博弈论结构，其中纳什均衡对应于发射机与中继之间稳定的协作程度，该特性可被用于认知无线电网络中的功率分配。