[论文解读] Partial Decode-Forward Binning Schemes for the Causal Cognitive Relay Channels

Zhuohua Wu, Mai Vu|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 32被引用 6

一句话总结

本文针对因果认知中继信道（在全双工与半双工模式下）提出了两种新型编码方案——部分解码-转发成形（PDF-binning）与韩-小林PDF成形（HK-PDF-binning）。通过结合部分解码-转发中继与Gelfand-Pinsker成形，以及韩-小林叠加编码，该方案使认知中继能够解码主用户消息的一部分，通过成形技术消除干扰，并转发信息，从而在全双工与半双工模式下均实现了比以往方案（包括韩-小林区域）更大的速率区域，且为高斯信道推导出闭式最优成形参数。

ABSTRACT

The causal cognitive relay channel (CRC) has two sender-receiver pairs, in which the second sender obtains information from the first sender causally and assists the transmission of both senders. In this paper, we study both the full- and half-duplex modes. In each mode, we propose two new coding schemes built successively upon one another to illustrate the impact of different coding techniques. The first scheme called partial decode-forward binning (PDF-binning) combines the ideas of partial decode-forward relaying and Gelfand-Pinsker binning. The second scheme called Han-Kobayashi partial decode-forward binning (HK-PDF-binning) combines PDF-binning with Han-Kobayashi coding by further splitting rates and applying superposition coding, conditional binning and relaxed joint decoding. In both schemes, the second sender decodes a part of the message from the first sender, then uses Gelfand-Pinsker binning technique to bin against the decoded codeword, but in such a way that allows both state nullifying and forwarding. For the Gaussian channels, this PDF-binning essentializes to a correlation between the transmit signal and the binning state, which encompasses the traditional dirty-paper-coding binning as a special case when this correlation factor is zero. We also provide the closed-form optimal binning parameter for each scheme. The 2-phase half-duplex schemes are adapted from the full-duplex ones by removing block Markov encoding, sending different message parts in different phases and applying joint decoding across both phases. Analysis shows that the HK-PDF-binning scheme in both modes encompasses the Han-Kobayashi rate region and achieves both the partial decode-forward relaying rate for the first sender and interference-free rate for the second sender. Furthermore, this scheme outperforms all existing schemes.

研究动机与目标

• 为解决因果认知中继信道中缺乏全面编码方案的问题，其中次用户可因果地解码并转发主用户消息。
• 设计新型传输策略，将部分解码-转发中继与成形技术相结合，以管理干扰并提高频谱效率。
• 将这些方案扩展至全双工与半双工工作模式，兼顾实际应用可行性。
• 实现比现有方案更大的可译码速率区域，特别是涵盖韩-小林速率区域。
• 为高斯信道推导出PDF-binning方案的闭式最优成形参数，以支持实际实现。

提出的方法

• 提出部分解码-转发成形（PDF-binning），结合部分解码-转发中继与Gelfand-Pinsker成形，使认知中继能够解码并转发主用户消息的一部分，同时通过成形技术消除干扰。
• 通过进一步应用速率分割、叠加编码、条件成形与松弛联合检测，开发韩-小林PDF成形（HK-PDF-binning），以提升频谱效率。
• 在全双工模式下使用块马尔可夫编码，并通过将传输划分为两个阶段，将其适配至半双工模式。
• 在半双工模式下跨阶段应用联合检测，以提高可靠性并实现更高传输速率。
• 推导出高斯信道下最优成形参数的闭式解，表明PDF-binning退化为发射信号与成形状态之间的相关性，从而推广了脏纸编码。
• 采用傅里叶-莫茨金消去法，从一组互信息约束中推导出最终的可译码速率区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为因果认知中继信道设计一种编码方案，使认知中继能够解码并转发主用户消息的一部分，同时有效管理干扰？
• RQ2 将部分解码-转发中继与Gelfand-Pinsker成形相结合，相较于传统方案，如何提升可译码速率区域？
• RQ3 通过速率分割与联合检测，韩-小林编码技术在因果认知中继信道中能在多大程度上提升性能？
• RQ4 在所提出的PDF-binning方案下，高斯信道的最优成形参数是什么？其如何推广脏纸编码？
• RQ5 在半双工模式下，所提方案与全双工模式下的对应方案相比，在可译码速率与实际可行性方面有何差异？

主要发现

• 在全双工与半双工模式下，HK-PDF-binning方案均实现了比所有已知方案（包括韩-小林速率区域）更大的可译码速率区域。
• HK-PDF-binning方案实现了第一发送方的部解码-转发速率与第二发送方的无干扰速率，展示了最优的权衡性能。
• 对于高斯信道，最优成形参数以闭式形式推导得出，表明当发射信号与成形状态之间的相关性为零时，该方案推广了脏纸编码。
• 半双工方案通过移除块马尔可夫编码、采用两阶段传输并跨阶段应用联合检测，由全双工方案适配而来，性能接近全双工。
• PDF-binning方案实现了发射信号与成形状态之间的相关性，当该相关性为零时，即退化为传统脏纸编码的特例。
• 通过傅里叶-莫茨金消去法推导出的速率区域证实，HK-PDF-binning方案实现了因果认知中继信道目前已知最大的速率区域。