[论文解读] On the Symmetric Gaussian Interference Channel with Partial Unidirectional Cooperation

Hossein Bagheri, Seyed Abolfazl Motahari+1 more|ArXiv.org|Sep 15, 2009

Wireless Communication Security Techniques参考文献 16被引用 15

一句话总结

本文研究了一种具有部分单向协作的对称高斯干扰信道，其中一个发射机通过无噪回程链路与另一个发射机协作。该文提出一种受Han-Kobayashi启发的方案，包含私密、公共和协作消息，可在所有干扰场景下实现与 sum-capacity 的差距在每实维度1–2比特以内，通过切割集和认知无线电信道分析获得紧致的上界。

ABSTRACT

A two-user symmetric Gaussian Interference Channel (IC) is considered in which a noiseless unidirectional link connects one encoder to the other. Having a constant capacity, the additional link provides partial cooperation between the encoders. It is shown that the available cooperation can dramatically increase the sum-capacity of the channel. This fact is proved based on comparison of proposed lower and upper bounds on the sum-capacity. Partitioning the data into three independent messages, namely private, common, and cooperative ones, the transmission strategy used to obtain the lower bound enjoys a simple type of Han-Kobayashi scheme together with a cooperative communication scheme. A Genie-aided upper bound is developed which incorporates the capacity of the cooperative link. Other upper bounds are based on the sum-capacity of the Cognitive Radio Channel and cut-set bounds. For the strong interference regime, the achievablity scheme is simplified to employ common and/or cooperative messages but not the private one. Through a careful analysis it is shown that the gap between these bounds is at most one and two bits per real dimension for strong and weak interference regimes, respectively. Moreover, the Generalized Degrees-of-Freedom of the channel is characterized.

研究动机与目标

• 表征具有发射机之间部分单向协作的对称高斯干扰信道的sum-capacity。
• 设计一种利用协作显著提升sum-capacity的传输策略，相比非协作IC有显著增益。
• 建立sum-capacity的紧致上下界，以量化所提方案的性能差距。
• 分析协作条件下信道的广义自由度（GDoF）。
• 优化私密、公共和协作消息之间的功率分配，以最小化与sum-capacity的差距。

提出的方法

• 提出一种三消息结构：私密、公共和协作消息，每个发射机使用独立的码书。
• 采用改进的Han-Kobayashi方案，接收机首先解码公共和协作消息，再解码自身的私密消息。
• 在弱干扰场景（a ≤ 1）采用简单功率分配策略，并在强干扰场景（a > 1）中简化方案，排除私密消息。
• 推导一种引入协作链路容量的Genie辅助上界，同时结合切割集和认知无线电信道的上界。
• 应用优化技术平衡私密、公共和协作码字之间的功率分配，以最大化可实现的sum-rate。
• 通过按信噪比和干扰电平缩放，分析广义自由度（GDoF）。

实验结果

研究问题

• RQ1 部分单向协作能将对称高斯干扰信道的sum-capacity提升多少？
• RQ2 在私密、公共和协作消息之间，最优功率分配策略是什么，以最小化与sum-capacity的差距？
• RQ3 可实现速率与上界之间的性能差距在弱干扰和强干扰场景下如何变化？
• RQ4 具有单向协作的对称IC的广义自由度（GDoF）是多少？
• RQ5 在强干扰场景下，是否可采用不包含私密消息的简化方案，仍能实现近似最优性能？

主要发现

• 所提方案在强干扰场景（a > 1）下，sum-capacity差距不超过每实维度1比特。
• 在弱干扰场景（a ≤ 1）下，差距不超过每实维度2比特。
• 通过引入协作链路容量的Genie辅助方法推导出sum-capacity上界。
• 采用切割集上界和认知无线电信道sum-capacity作为替代上界，以验证性能差距。
• 在强干扰场景下，移除私密消息仅保留公共和协作消息，可降低复杂度，同时保持与容量的1比特差距。
• 信道的广义自由度（GDoF）被完全表征，揭示了sum-capacity随SNR和干扰电平的渐近缩放特性。