[论文解读] On Interference Alignment and the Deterministic Capacity for Cellular Channels with Weak Symmetric Cross Links

J. Buehler, Gerhard Wunder|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文通过线性确定性模型，表征了具有弱对称交叉链路的两小区蜂窝上行链路的容量区域。提出了一种干扰对齐方案，利用同一小区内用户之间的信道增益差异，将干扰对齐至非意图接收端，通过在未使用的信号维度上对齐干扰，实现最优和速率。

ABSTRACT

In this paper, we study the uplink of a cellular system using the linear deterministic approximation model, where there are two users transmitting to a receiver, mutually interfering with a third transmitter communicating with a second receiver. We give an achievable coding scheme and prove its optimality, i.e. characterize the capacity region. This scheme is a form of interference alignment which exploits the channel gain difference of the two-user cell.

研究动机与目标

• 分析在弱对称交叉链路干扰下，一个小区中有两个用户、另一个小区中有一个用户时的上行链路容量。
• 开发一种基于干扰对齐原理的最优传输方案，以实现容量区域。
• 通过确定性信道建模，为蜂窝网络中的干扰管理建立理论基础。
• 提供一个与可实现速率区域完全匹配的严格外 bound，证明所提方案的最优性。

提出的方法

• 使用线性确定性信道建模蜂窝上行链路，其中信号级别对应于二进制向量中的比特位置。
• 使用移位矩阵表示路径损耗，并通过模 2 加法实现信号叠加。
• 设计一种编码方案，使小区 1 中的发射机通过将信号维度与预期信号的未使用部分对齐，在基站 2 处对齐其干扰。
• 通过将小区 1 中两个用户的干扰对齐至基站 2 的信号空间的低位比特，实现干扰对齐。
• 利用法诺不等式和熵不等式推导外 bound，通过将信号部分分解为高位和低位比特分量来实现。
• 通过证明外 bound 区域与可实现速率区域完全一致，从而证明最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱对称交叉链路下，使用线性确定性模型时，两小区蜂窝上行链路的容量区域是什么？
• RQ2 如何对齐一个小区中两个同频用户产生的干扰，以最小化其对第二个基站的影响？
• RQ3 在弱干扰区域，蜂窝系统中的干扰对齐是否优于传统的干扰规避方法？
• RQ4 所提出的编码方案是否最优？其最优性是否可通过匹配的外 bound 证明？

主要发现

• 容量区域被完全表征，并通过匹配的外 bound 证明其最优性。
• 最优方案通过将小区 1 中两个用户的干扰对齐至基站 2 的信号空间中未使用的低位比特实现干扰对齐。
• 当干扰被对齐至小区 2 中预期发射机未使用的信号空间部分时，和速率达到最大。
• 关键洞见在于，小区 1 中两个用户之间的信道增益差异，使得即使在弱对称交叉链路下也能实现有效的干扰对齐。
• 外 bound 推导通过将信号部分分解为高位和低位比特分量实现，对每个分量应用熵界。
• 该结果在弱干扰条件下成立，即干扰增益之和小于或等于最小直接链路增益。