Interference widely exists in communication systems and is often not optimally treated at the receivers due to limited knowledge and/or computational burden. Evolutions of receivers have been proposed to balance complexity and spectral efficiency, for example, for 6G, while commonly used performance metrics, such as capacity and mutual information (MI), fail to capture the suboptimal treatment of interference, leading to potentially inaccurate performance evaluations. Mismatched decoding is an information-theoretic tool for analyzing communications with suboptimal decoders. In this work, we use mismatched decoding to analyze communications with decoders that treat interference suboptimally, aiming at more accurate performance metrics. Specifically, we consider a finite-alphabet input Gaussian channel under interference, representative of modern systems, where the decoder can be matched (optimal) or mismatched (suboptimal) to the channel. The matched capacity is derived using MI, while a lower bound on the mismatched capacity under various decoding metrics is derived using generalized mutual information (GMI). We show that the decoding metric in the proposed channel model is closely related to the behavior of the demodulator in bit-interleaved coded modulation (BICM) systems. Simulations illustrate that GMI/MI accurately predicts the throughput of BICM-type systems {with various demodulators}. Finally, we extend the channel model and the GMI to multiple antenna cases, with an example of multi-user multiple-input-single-output (MU-MISO) precoder optimization problem considering GMI under different decoding strategies. In short, this work discovers new insights about the impact of interference, proposes novel receivers, and introduces a new design and performance evaluation framework that more accurately captures the effect of interference.


翻译:干扰在通信系统中广泛存在,由于认知有限和/或计算负担,接收端通常无法对其进行最优处理。为平衡复杂度和频谱效率,已提出接收机演进方案(例如面向6G),但常用的性能指标(如容量和互信息)未能捕捉干扰的次优处理,可能导致性能评估失准。失配解码是分析次优解码器通信性能的信息论工具。本文利用失配解码分析采用次优干扰处理解码器的通信系统,旨在建立更精确的性能指标。具体而言,我们研究具有代表性的现代系统场景——有限字母表输入高斯信道下的干扰问题,其中解码器可与信道匹配(最优)或失配(次优)。匹配容量通过互信息推导,而基于不同解码度量的失配容量下界则通过广义互信息推导。我们证明所提信道模型中的解码度量与比特交织编码调制系统中解调器的行为密切相关。仿真表明,广义互信息/互信息能准确预测采用各类解调器的比特交织编码调制型系统的吞吐量。最后,我们将信道模型与广义互信息扩展至多天线场景,并以多用户多输入单输出预编码器优化问题为例,探讨不同解码策略下广义互信息的应用。简言之,本研究揭示了干扰影响的新机理,提出了新型接收机方案,并建立了能更精准刻画干扰效应的系统设计与性能评估框架。

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