[论文解读] The Capacity of the Interference Channel with a Cognitive Relay in Very Strong Interference

Stefano Riniy, Daniela Tuninetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2011

Wireless Communication Security Techniques参考文献 18被引用 11

一句话总结

本文通过借鉴‘更强大’广播信道的思路，推导出一种新颖的外 bound，确立了在‘非常强干扰’区域下认知中继干扰信道的容量。当两个接收端均解码两路消息时，容量得以实现，类似于混合多址接入信道，这是该通用认知中继模型的首个精确容量结果。

ABSTRACT

The interference channel with a cognitive relay consists of a classical interference channel with two sourcedestination pairs and with an additional cognitive relay that has a priori knowledge of the sources' messages and aids in the sources' transmission. We derive a new outer bound for this channel using an argument originally devised for the "more capable" broadcast channel, and show the achievability of the proposed outer bound in the "very strong interference" regime, a class of channels where there is no loss in optimality if both destinations decode both messages. This result is analogous to the "very strong interference" capacity result for the classical interference channel and for the cognitive interference channel, and is the first capacity known capacity result for the general interference channel with a cognitive relay.

研究动机与目标

• 确定认知中继干扰信道的容量，该模型中中继知晓两个源端的消息并协助传输。
• 解决该通用认知中继信道容量区域表征的开放问题。
• 将此前仅适用于经典与认知干扰信道的‘非常强干扰’容量结果，推广至认知中继场景。
• 基于‘更强大’广播信道的技术，推导一种新的外 bound，改进先前的界。

提出的方法

• 通过最初为‘更强大’广播信道设计的论证，推导出通用无记忆干扰信道与认知中继的新型外 bound。
• 针对‘强干扰’区域（定义为非意图接收端可解码比意图接收端更多的信息）提出一个改进的外 bound。
• 证明在‘非常强干扰’区域（即两个译码器均可无速率损失地解码两路消息）下，该外 bound 是可实现的。
• 通过一种叠加编码方案实现外 bound，其中两个中继均解码两路消息，模拟复合多址接入信道。
• 通过应用‘高斯分布使熵最大’原理，并对输入协方差矩阵进行参数化，将结果特化至高斯情形。
• 建立信道系数（如 |h12| ≥ |h22| 及一个二次不等式）的条件，以定义高斯 IFC-CR 中的‘强干扰’与‘非常强干扰’区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在‘非常强干扰’区域下，认知中继干扰信道的容量是多少？
• RQ2 能否为通用 IFC-CR 推导出一种新颖的外 bound，使其优于现有界，并在特殊情形下退化为已知容量结果？
• RQ3 经典与认知干扰信道中的‘非常强干扰’区域是否可推广至认知中继场景？
• RQ4 在‘非常强干扰’区域下，所推导的外 bound 是否可通过简单编码方案实现？
• RQ5 高斯信道系数需满足何种条件，才能定义 IFC-CR 中的‘非常强干扰’区域？

主要发现

• 本文首次确立了在‘非常强干扰’区域下，通用认知中继干扰信道的精确容量结果。
• 当两个接收端均解码两路消息时，容量得以实现，此时信道实质上转化为复合多址接入信道。
• 基于‘更强大’广播信道论证推导出的外 bound 在‘非常强干扰’区域下是紧的，且与可实现速率区域一致。
• 对于高斯 IFC-CR，‘非常强干扰’条件由涉及信道系数的二次不等式给出，该条件推广了经典‘非常强干扰’条件。
• 在‘非常强干扰’条件下，证明了‘强干扰’区域的外 bound 是可实现的，从而确认其紧致性。
• 结果将经典 IFC 与认知 IFC 的已知容量结果推广至认知中继场景，统一了相关模型中‘非常强干扰’容量框架。