Deep Autoencoder-based Z-Interference Channels with Perfect and Imperfect CSI

要約

この論文では、有限アルファベット入力による 2 ユーザー Z 干渉チャネル (ZIC) を介したエンドツーエンド通信のためのディープ オートエンコーダ (DAE) ベースの構造を設計します。
提案された構造は、2 つのエンコーダ/デコーダ ペアを共同で最適化し、干渉強度に基づいてその形状を動的に適応させてビット誤り率 (BER) を最小限に抑える干渉対応コンスタレーションを生成します。
同相/直交位相 (I/Q) 電力割り当てレイヤーが DAE に導入され、平均電力制約が保証され、アーキテクチャが不均一な形状のコンスタレーションを生成できるようになります。
これにより、直交振幅変調などの標準的な均一コンスタレーションと比較して、さらなるゲインがもたらされます。
次に、提案された構造は、不完全なチャネル状態情報 (CSI) を処理できるように拡張されます。
推定誤差と量子化誤差の両方による CSI の不完全性が検査されます。
DAEZIC のパフォーマンスは、標準コンスタレーションと回転コンスタレーションという 2 つのベースライン方法と比較されます。
提案された構造は、完全な CSI と不完全な CSI の両方に対して ZIC のパフォーマンスを大幅に向上させます。
シミュレーション結果は、すべての干渉領域 (弱い、中程度、強い) で改善が達成され、信号対雑音比 (SNR) が増加するにつれて一貫して増加することを示しています。
たとえば、SNR > 15dB でシンボルあたり 2 ビットが送信される場合、弱い干渉で最も競争力のある従来の方法と比較して、1 桁以上の BER 低減が得られます。
量子化誤差が存在する場合、改善は約 2 桁に達し、DAE-ZIC が従来の方法と比較して干渉に対してより堅牢であることを示しています。

要約(オリジナル)

A deep autoencoder (DAE)-based structure for endto-end communication over the two-user Z-interference channel (ZIC) with finite-alphabet inputs is designed in this paper. The proposed structure jointly optimizes the two encoder/decoder pairs and generates interference-aware constellations that dynamically adapt their shape based on interference intensity to minimize the bit error rate (BER). An in-phase/quadrature-phase (I/Q) power allocation layer is introduced in the DAE to guarantee an average power constraint and enable the architecture to generate constellations with nonuniform shapes. This brings further gain compared to standard uniform constellations such as quadrature amplitude modulation. The proposed structure is then extended to work with imperfect channel state information (CSI). The CSI imperfection due to both the estimation and quantization errors are examined. The performance of the DAEZIC is compared with two baseline methods, i.e., standard and rotated constellations. The proposed structure significantly enhances the performance of the ZIC both for the perfect and imperfect CSI. Simulation results show that the improvement is achieved in all interference regimes (weak, moderate, and strong) and consistently increases with the signal-to-noise ratio (SNR). For example, more than an order of magnitude BER reduction is obtained with respect to the most competitive conventional method at weak interference when SNR>15dB and two bits per symbol are transmitted. The improvements reach about two orders of magnitude when quantization error exists, indicating that the DAE-ZIC is more robust to the interference compared to the conventional methods.

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