[論文レビュー] A Greedy Algorithm of Data-Dependent User Selection for Fast Fading Gaussian Vector Broadcast Channels

Keigo Takeuchi, Tsutomu Kawabata|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ゼロフォースビームフォーミングを用いた高速 fading ガウス型ベクトルブロードキャストチャネルにおいて、チャネル状態情報とデータシンボルの両方に依存するデータ依存型ユーザ選択（US）方式を提案する。最適選択を近似するためのグリーディアルゴリズムが採用され、反復的デコードによりフィードバックオーバーヘッドなしにユーザ検出が可能となり、従来のデータ独立型USと比較してエネルギー効率、ビット誤り率、和レートの向上を達成する。

ABSTRACT

User selection (US) with Zero-forcing beamforming is considered in fast fading Gaussian vector broadcast channels with perfect channel state information (CSI) at the transmitter. A novel criterion for US is proposed, which depends on both CSI and the data symbols, while conventional criteria only depend on CSI. Since the optimization of US based on the proposed criterion is infeasible, a greedy algorithm of data-dependent US is proposed to perform the optimization approximately. An overhead issue arises in fast fading channels: On every update of US, the transmitter might inform each user whether he/she has been selected, using a certain fraction of resources. This overhead results in a significant rate loss for fast fading channels. In order to circumvent this overhead issue, iterative detection and decoding schemes are proposed on the basis of belief propagation. The proposed iterative schemes require no information about whether each user has been selected. The proposed US scheme is compared to a data-independent US scheme. The complexity of the two schemes is comparable to each other for fast fading channels. Numerical simulations show that the proposed scheme can outperform the data-independent scheme for fast fading channels in terms of energy efficiency, bit error rate, and achievable sum rate.

研究の動機と目的

• 頻繁なユーザ選択更新が求められる高速 fading チャネルにおける高いフィードバックオーバーヘッドを解消すること。
• データ独立型ユーザ選択の非効率性を、データシンボル情報の統合によって克服すること。
• 高速 fading ベクトルブロードキャストチャネル向けに、性能と複雑さのバランスを取った低複雑度で実用的なプレコーディング方式を開発すること。
• 信念伝播に基づく反復受信機を設計することで、明示的なフィードバックなしにユーザ検出を可能とすること。

提案手法

• 有効干渉を最小化するように、チャネル状態情報とデータシンボル知識を組み合わせたデータ依存型ユーザ選択基準を提案する。
• データ依存型USの解が得られない非効率な最適化問題を近似的に解くためのグリーディアルゴリズムを設計し、直交性が高く、マルチユーザ干渉を事前にキャンセルできるユーザを選択する。
• 信念伝播を用いた反復的検出およびデコード方式を導入し、明示的なフィードバック信号なしにユーザが自身の選択状態を推定可能とする。
• 各ブロックでの効率的なオンライン計算を可能とするために、選択指標およびビームフォーミング重みの再帰的公式を導出する。
• 干渉信号数を減らすために、小さなブロックサイズを用いたブロック fading モデルを採用し、事前キャンセリングの有効性を高める。
• 性能評価のため、等価ガウスチャネルに基づく和レートの下界を定式化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のデータ独立型方式と比較して、データ依存型ユーザ選択は高速 fading ベクトルブロードキャストチャネルで性能向上をもたらすか？
• RQ2 高速 fading 環境において、頻繁なユーザ選択更新に起因するフィードバックオーバーヘッドをどのように低減できるか？
• RQ3 ゼロフォースビームフォーミングにおいて、データシンボル情報を取り入れたユーザ選択による実現可能なレート向上はどの程度か？
• RQ4 反復的検出方式により、明示的なフィードバックなしにユーザが自身の選択状態を特定できるか？
• RQ5 ブロックサイズおよびユーザ数の変化に伴い、本方式の性能は高速 fading 条件下でどのように変化するか？

主な発見

• 提案されたデータ依存型ユーザ選択方式は、高速 fading チャネルにおいて、エネルギー効率、ビット誤り率、および実現可能な和レートの点で、データ独立型方式を上回る性能を示した。
• 数値シミュレーションにより、グリーディアルゴリズムが低複雑度でほぼ最適性能を達成でき、従来のデータ独立型USと同等の性能を示した。
• 反復的デコード方式により、フィードバックなしにユーザ検出が成功し、選択状態のシグナリングに起因するオーバーヘッドが完全に排除された。
• 和レート向上は、ブロックあたりの干渉信号数が減少し、事前キャンセリングが有効に機能する高速 fading 状態で顕著に現れた。
• ユーザ選択とデータシンボル知識の統合により、従来のZFビームフォーミングに比べてより優れた干渉事前キャンセリングが可能となり、性能向上が実現した。
• 複雑さと性能の良好なトレードオフを達成しており、実用的な高速 fading システムに適している。