On the DoF of X-Networks With Synergistic Alternating CSIT: A Step Towards Integrated Communication and Sensing

The coexistence of communication and sensing services in the next wireless communication systems, i.e., beyond 5G and 6G systems, revive the central role of interference management techniques such as interference alignment, coordinated multipoint transmission, and cell-free massive multiple-input–multipleoutput (MIMO), in defeating interference and achieving the network capacity. In this article, we consider the K-user single-input–single-output (SISO) X-channel and its variants (2 × K and K × 2) in fast-fading environments. This can theoretically model many practical use cases for beyond 5G and 6G networks. For instance, it can model the case of having K cars communicating with another K cars, while former cars are sensing environment using the latter ones (in a cooperative, bistatic, and active approach) over the same time and frequency resources. We assume that the transmitters have access to synergistic alternating channel state information at the transmitter (CSIT) where it alternates between three states: perfect (P), delayed (D), and no-CSIT (N), and these states are associated with fractions of time denoted by λP , λD, and λN , respectively. We develop novel degree-of-freedom (DoF) achievability schemes that exploit the synergy of the instantaneous CSIT and the delayed CSIT to retrospectively align interference in the subsequent channel uses. In particular, we show that the sum DoF of the K-user SISO X-channel is at least 2K/K + 1, using a two-phase transmission scheme over finite symbols channel extension and under a certain distribution of the CSIT availability of (λP = (1/3), λD = (1/3), λN = (1/3)). This achievability result can be considered as a tight lower bound where it coincides with the best lower bound known for the same network but with partial output feedback instead of alternating CSIT. In addition, it shows that the role of synergistically alternating CSIT with distribution (1/3, 1/3, 1/3) is equivalent to the one of the partial output feedback. Moreover, we show the optimality of the proposed two-phase-based scheme using a simple combinatorial proof. This establishes a DoF lower bound, which is strictly better than the best lower bound known for the case of delayed CSI for all values of K. Thus, the proposed schemes offer higher DoF gain in comparison to delayed CSIT and no-CSIT.

La coexistence des services de communication et de détection dans les prochains systèmes de communication sans fil, c’est-à-dire au-delà des systèmes 5G et 6G, ravive le rôle central des techniques de gestion des interférences, telles que l’alignement des interférences, la transmission multipoint coordonnée et les entrées-multiples sorties-multiples massives sans cellule (MIMO), pour vaincre les interférences et atteindre la capacité du réseau. Dans cet article, nous considérons le canal X à K utilisateurs, à entrée unique et à sortie unique (SISO) et ses variantes (2 × K et K × 2) dans des environnements à évanouissement rapide. Cela peut théoriquement modéliser de nombreux cas d’utilisation pratiques pour les réseaux au-delà de la 5G et de la 6G. Par exemple, on peut modéliser le cas où K voitures communiquent avec K autres voitures, alors que les premières voitures détectent l’environnement en utilisant les secondes (dans une approche coopérative, bi-statique et active) sur les mêmes ressources de temps et de fréquence. Nous supposons que les émetteurs ont accès à des informations synergiques sur l’état alternatif du canal au niveau de l’émetteur (CSIT) où il alterne entre trois états : parfait (P), retardé (D) et sans CSIT (N), et ces états sont associés à des fractions de temps désignées par λP, λD et λN , respectivement. Nous développons de nouveaux schémas de réalisabilité par degré de liberté (DoF) qui exploitent la synergie du CSIT instantané et du CSIT retardé pour aligner rétrospectivement les interférences dans les utilisations ultérieures du canal. En particulier, nous montrons que la somme des DoF du canal SISO X à K utilisateurs est au moins 2K/K + 1, en utilisant un schéma de transmission à deux phases sur une extension de canal à symboles finis et sous une certaine distribution de la disponibilité du CSIT de (λP = (1/3), λD = (1/3), λN = (1/3)). Ce résultat de réalisabilité peut être considéré comme une limite inférieure serrée où il coïncide avec la meilleure limite inférieure connue pour le même réseau, mais avec une rétroaction de sortie partielle au lieu d’un CSIT alterné. En outre, il montre que le rôle de l’alternance synergique du CSIT avec la distribution (1/3, 1/3, 1/3) est équivalent à celui de la rétroaction de sortie partielle. De plus, nous montrons l’optimalité du schéma proposé basé sur deux phases en utilisant une preuve combinatoire simple. Cela établit une limite inférieure de DoF, qui est strictement meilleure que la meilleure limite inférieure connue pour le cas du CSI retardé pour toutes les valeurs de K. Ainsi, les schémas proposés offrent un gain de DoF plus élevé par rapport au CSIT retardé et au sans CSIT.

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Published in: IEEE Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering
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