[论文解读] The Capacity Region of the Cognitive Z-interference Channel with One Noiseless Component

Nan Liu, Ivana Marić+2 more|ArXiv.org|Dec 2, 2008

Wireless Communication Security Techniques参考文献 32被引用 9

一句话总结

本文確立了具有一條無噪聲鏈路的認知Z-干擾通道的容量區域，證明非認知發送器採用層次編碼、認知發送器採用Gel'fand-Pinsker編碼，兩者均為達到容量區域的必要且充分條件。關鍵結果是，當未受干擾的鏈路為無噪聲時，上界與下界完全吻合，從而在此條件下完整地描述了容量區域。

ABSTRACT

We study the discrete memoryless Z-interference channel (ZIC) where the transmitter of the pair that suffers from interference is cognitive. We first provide upper and lower bounds on the capacity of this channel. We then show that, when the channel of the transmitter-receiver pair that does not face interference is noiseless, the two bounds coincide and therefore yield the capacity region. The obtained results imply that, unlike in the Gaussian cognitive ZIC, in the considered channel superposition encoding at the non-cognitive transmitter as well as Gel'fand-Pinsker encoding at the cognitive transmitter are needed in order to minimize the impact of interference. As a byproduct of the obtained capacity region, we obtain the capacity result for a generalized Gel'fand-Pinsker problem.

研究动机与目标

• 對一個認知Z-干擾通道的容量區域進行表徵，其中一個發送器-接收器對受到干擾，而另一對為無噪聲。
• 確定非認知發送器採用層次編碼、認知發送器採用Gel'fand-Pinsker編碼是否對最佳性能至關重要。
• 透過識別上下界重合的條件，縮小容量區域上下界之間的差距。
• 提供關於最佳碼書結構的洞見，以最小化認知無線電網絡中干擾的影響。

提出的方法

• 使用Körner-Marton對偶方法推導容量區域的上界，並兩次應用輔助隨機變數V和U。
• 提出一個下界，採用在非認知發送器處使用層次編碼、在認知發送器處使用Gel'fand-Pinsker編碼的結構化碼書。
• 引入三層碼書：內層碼書包含V^n序列，外層碼書包含給定V^n的X_2^n序列，認知發送器碼書包含給定V^n的U^n序列。
• 在兩端接收器均使用聯合典型性解碼：首先從接收信號解碼V^n，然後在給定V^n的條件下解碼X_2^n與U^n。
• 應用傅里葉-莫茨金消去法，消除輔助變數，並以互信息表達式形式推導外層界。
• 透過證明在典型性論證所導出的速率約束下，隨著符號長度增加，誤碼概率趨於零，從而驗證了可實現方案的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在什麼條件下，具有一個無噪聲分量的認知Z-干擾通道的容量區域可被完全表徵？
• RQ2 非認知發送器採用層次編碼是否為最小化干擾並達到容量區域所必需？
• RQ3 認知發送器採用Gel'fand-Pinsker編碼是否在本通道模型中對干擾管理至關重要？
• RQ4 在特定通道條件下，容量區域的上下界能否變得緊緻？
• RQ5 何種最佳碼書結構可實現此認知干擾通道中干擾抑制與可靠通信的雙重目標？

主要发现

• 具有一個無噪聲分量的認知Z-干擾通道的容量區域已完全表徵，因上下界完全吻合。
• 非認知發送器採用層次編碼是控制干擾並達到容量區域所必需的。
• 認知發送器採用Gel'fand-Pinsker編碼對於管理非認知發送器造成的干擾至關重要。
• 最佳傳輸策略需同時採用層次編碼與干擾抵消（dirty-paper coding）技術，方能達到完整的容量區域。
• 所推導的容量區域作為副產物，解決了一個廣義的Gel'fand-Pinsker問題。
• 結果表明，在離散無記憶通道中，與高斯情況不同，兩種編碼策略需同時使用才能實現最佳性能。