[论文解读] Transmission Techniques for Relay-Interference Networks

Soheil Mohajer, Suhas Diggavi+2 more|ArXiv.org|Dec 9, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 5被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新型的干扰对消技术——干扰中和（interference neutralization），专用于中继-干扰网络，可在无需发射端预先知晓干扰信号的情况下实现空中域的干扰消除。通过使用确定性无线信道模型，作者对ZS与ZZ网络拓扑结构给出了完整的容量表征，证明了干扰中和、抑制与对齐是管理中继增强型无线网络中多流干扰的根本性技术手段。

ABSTRACT

In this paper we study the relay-interference wireless network, in which relay (helper) nodes are to facilitate competing information flows over a wireless network. We examine this in the context of a deterministic wireless interaction model, which eliminates the channel noise and focuses on the signal interactions. Using this model, we show that almost all the known schemes such as interference suppression, interference alignment and interference separation are necessary for relay-interference networks. In addition, we discover a new interference management technique, which we call interference neutralization, which allows for over-the-air interference removal, without the transmitters having complete access the interfering signals. We show that interference separation, suppression, and neutralization arise in a fundamental manner, since we show complete characterizations for special configurations of the relay-interference network.

研究动机与目标

• 为解决在存在中继与干扰的无线网络中管理多路单播流的挑战。
• 将已知的干扰管理技术（如抑制、对齐与分离）扩展至中继增强型干扰网络。
• 提出并验证一种新型传输策略——干扰中和，用于实现空中域的干扰消除。
• 为两种典型中继-干扰网络拓扑结构（ZS与ZZ网络）提供精确的容量表征。
• 确立干扰中和在该类网络中具有根本性作用，而非启发式方法，而是实现最优性能的必要手段。

提出的方法

• 采用一种确定性无线交互模型，通过在F2域上使用二元矩阵表示，消除噪声并离散化信道增益。
• 将信号传播建模为发射信号的线性组合，通过二元矩阵实现，从而精确分析信号叠加与干扰特性。
• 应用网络分解技术，分别在源-中继与中继-目的地阶段隔离出完整的Z路径（Z信道含两条并行链路）。
• 通过信道增益的最小值运算推导独立完整Z路径的数量：δSR = min(m11, m12, m22, (m11 + m22 − m12)+) 与 δRD = min(n11, n12, n22, (n11 + n22 − n12)+)。
• 结合辅信息与信号中和效应，利用Fano不等式与互信息上界技术，推导可达速率的外层界。
• 提出一种基于干扰中和的传输方案，通过结构化信号对齐与相减，使来自多个发射端的信号在中继与接收端实现干扰抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 干扰中和能否成为管理中继增强型无线网络中干扰的根本性技术？
• RQ2 在具有多路单播会话的中继-干扰网络中，干扰抑制、对齐与分离技术如何相互作用？
• RQ3 两个典型中继-干扰网络配置（ZS与ZZ网络）的精确容量区域是什么？
• RQ4 在无需发射端完全掌握干扰信号的前提下，干扰中和技术的适用范围有多大？
• RQ5 网络分解与路径隔离在实现中继-干扰网络最优速率方面起到何种作用？

主要发现

• 本文建立了ZS网络的完整容量表征，表明和速率受限于 max(m11, m12) + m22。
• 对于ZZ网络，和速率受限于 max(m11, m12) + m12 + (m22 − m12)+，其中最后一项代表被中和的干扰。
• 源-中继阶段的完整Z路径数量为 δSR = min(m11, m12, m22, (m11 + m22 − m12)+)，该值决定了独立数据流的数量。
• 中继-目的地阶段的完整Z路径数量为 δRD = min(n11, n12, n22, (n11 + n22 − n12)+)，且独立ZZ对的总数为 δ = min(δSR, δRD)。
• 干扰中和技术可在无需发射端预知干扰信号的情况下，实现空中域的干扰消除。
• 外层界分析表明，接收端可被中和的子链路数量不能超过 min(m12, n12)，从而确认了中和技术的根本极限。