[论文解读] On the Optimality of Treating Interference as Noise

Chunhua Geng, Navid Naderializadeh+2 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2013

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 14被引用 19

一句话总结

本文建立了一般性条件，证明在K-user高斯干扰信道中，当对每个用户而言，期望信号强度（单位：dB）不低于其来自和发送至该用户的最强干扰之和时，迫零干扰（TIN）可实现广义自由度（GDoF）区域及容量区域的常数间隙内。该条件表明，在此区域内无需时分复用或复杂信号设计，TIN即为最优。

ABSTRACT

It is shown that in the K-user interference channel, if for each user the desired signal strength is no less than the sum of the strengths of the strongest interference from this user and the strongest interference to this user (all values in dB scale), then the simple scheme of using point to point Gaussian codebooks with appropriate power levels at each transmitter and treating interference as noise at every receiver (in short, TIN scheme) achieves all points in the capacity region to within a constant gap. The generalized degrees of freedom (GDoF) region under this condition is a polyhedron, which is shown to be fully achieved by the same scheme, without the need for time-sharing. The results are proved by first deriving a polyhedral relaxation of the GDoF region achieved by TIN, then providing a dual characterization of this polyhedral region via the use of potential functions, and finally proving the optimality of this region in the desired regime.

研究动机与目标

• 确定TIN在K-user干扰信道中实现整个GDoF区域及容量区域至常数间隙的一般条件。
• 解决完全非对称、全连接K-user干扰信道中TIN为GDoF最优的区域表征这一开放问题。
• 通过势函数对TIN可实现区域进行对偶表征，从而消除功率分配变量的依赖。
• 证明在所识别的区域内，TIN区域可简化为单一多面体区域，涵盖所有其他可能的TIN速率区域。

提出的方法

• 引入TIN的松弛版本——'多面体TIN'，以分析目标区域内可实现的GDoF区域。
• 在带'地'节点的有向图表示上使用势函数，对多面体TIN区域进行对偶表征，从而消除功率分配变量。
• 通过势定理建立多面体TIN区域的对偶表征，实现清晰的外界界分析。
• 利用先前工作的外边界，证明多面体TIN区域在GDoF意义下为最优。
• 证明TIN性能不劣于多面体TIN，从而证明在该区域内TIN的GDoF最优性。
• 证明在相同区域内，TIN可实现整个容量区域至常数间隙内，且无需时分复用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在K-user完全非对称高斯干扰信道中，TIN在何种一般条件下可实现整个GDoF区域的最优？
• RQ2 TIN可实现区域能否在不使用功率分配变量的情况下进行表征？若能，如何实现？
• RQ3 在TIN为GDoF最优的区域内，TIN区域是否可简化为单一多面体区域？
• RQ4 在相同区域内，TIN是否可在无需时分复用的情况下实现整个容量区域至常数间隙内？
• RQ5 期望信号强度 ≥ 最强干扰之和（单位：dB）这一条件，是否为TIN最优性的充要条件？

主要发现

• 当对每个用户而言，期望信号强度（单位：dB）不低于其来自和发送至该用户的最强干扰之和时，TIN可实现K-user干扰信道的整个GDoF区域至常数间隙内。
• 在此条件下，GDoF区域为一个多面体，且TIN无需时分复用即可完全实现该区域。
• 一般情况下，TIN的可实现GDoF区域由最多2^K - 1个多面体组成；但在最优区域内，仅一个单一多面体（即多面体TIN区域）涵盖所有其他区域。
• 通过在有向图上使用势函数，推导出多面体TIN区域的对偶表征，从而实现无需功率分配的描述。
• 在相同区域内，TIN可实现整个容量区域至常数间隙内，证明其鲁棒性与实用性。
• 该条件被证明为最优性的充分条件，论文进一步推测其在零测集外亦可能为必要条件。