An open question posed by Fawzi and Ferme [Transactions on Information Theory 2024], asks whether non-signaling (NS) assistance can increase the capacity of a broadcast channel (BC). We answer this question in the affirmative, by showing that for a certain K-receiver BC setting, called Coordinated Multipoint (CoMP) that arises naturally in wireless networks, NS-assistance provides multiplicative gains in capacity and degrees of freedom (DoF), even achieving K-fold improvements in some cases. Somewhat surprisingly, this is shown to be true even for 2-receiver broadcast channels that are semi-deterministic and/or degraded. In a CoMP BC, B single-antenna transmitters, supported by a backhaul that allows them to share data, act as one B-antenna transmitter, to send independent messages to K receivers, each equipped with a single receive antenna. A fixed and globally known connectivity matrix M, specifies for each transmit antenna, the subset of receivers that are connected to (have a non-zero channel coefficient to) that antenna. Besides the connectivity, there is no channel state information at the transmitter. The DoF region is fully characterized for a class of connectivity patterns associated with tree graphs. Sum-capacity with NS-assistance for arbitrary connectivity patterns is bounded below and above by the triangle number and the min-rank of the connectivity matrix, respectively. While translations to Gaussian settings are demonstrated, most of our results are presented under noise-free, finite-field (Fq) models. Converse proofs for classical DoF adapt the Aligned Images bounds to the finite field model. Converse bounds for NS-assisted capacity extend the same-marginals property to the BC with NS-assistance available to all parties. Even stronger (unbounded) gains are established for certain 'communication with side-information' settings, such as the fading dirty paper channel.


翻译:Fawzi与Ferme在《信息论汇刊2024》中提出的开放性问题:非信号(NS)辅助能否提升广播信道(BC)的容量?我们通过肯定性回答证明了该命题。针对无线网络中自然出现的K接收端广播信道场景(称为协调多点传输(CoMP)),NS辅助能在容量与自由度(DoF)上实现乘性增益,某些情况下甚至可获得K倍提升。令人惊讶的是,该结论对于半确定性/退化型双接收端广播信道同样成立。在CoMP广播信道中,B个单天线发射端通过支持数据共享的回传网络协同工作,等效于一个B天线发射端,向K个配备单接收天线的接收端发送独立消息。固定且全局已知的连接矩阵M规定了每个发射天线所连接的接收端子集(即具有非零信道系数的接收端)。除连接关系外,发射端不掌握信道状态信息。我们完整刻画了与树图关联的连接模式类别的自由度区域。对于任意连接模式,NS辅助下的和容量下界与上界分别由连接矩阵的三角数与最小秩界定。虽然展示了高斯场景的转换推导,但主要结论基于无噪声有限域(Fq)模型建立。经典自由度的逆证明将'对齐图像界'适配至有限域模型,NS辅助容量的逆证明则将'相同边缘分布'性质扩展至所有参与方均具备NS辅助的广播信道。在某些'带边信息的通信'场景(如衰落脏纸信道)中,我们进一步证明了更强(无界)的增益。

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