[論文レビュー] A New Achievable DoF Region for the 3-user MxN Symmetric Interference Channel

Mohamed Amir, Amr El‐Keyi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 11被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、定数係数を有する3ユーザーM×N対称MIMO干渉チャネルにおける、新たな干渉整合化方式を提案する。この方式は、ディオファントス近似に基づく多層型プレフィルミングを活用し、新たな実現可能な自由度（DoF）領域を達成する。この方式はM/N ≥ 5/3の範囲で最適なDoFを達成し、M/N = (2L+3)/(2L+1)においてビームフォーミング上界に一致する。これにより、いくつかのM/N比において従来の方式を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

In this paper, the 3-user multiple-input multiple-output Gaussian interference channel with M antennas at each transmitter and N antennas at each receiver is considered. It is assumed that the channel coefficients are constant and known to all transmitters and receivers. A novel scheme is presented that spans a new achievable degrees of freedom region. For some values of M and N, the proposed scheme achieve higher number of DoF than are currently achievable, while for other values it meets the best known upperbound. Simulation results are presented showing the superior performance of the proposed schemes to earlier approaches.

研究の動機と目的

• 定数係数を有する3ユーザーM×N対称MIMO干渉チャネルにおける、K < (M+N)/gcd(M,N) の場合に生じる実現可能なDoFのギャップを埋める。
• 特定のMおよびN値において、従来の方式よりも高いDoFを達成する新たな干渉整合化方式を開発する。
• 提案方式がカバーするDoF領域を同定し、既存の上界と比較する。
• 異なるL値を用いた多層型プレフィルミングを統合し、受信機の次元が十分に活用されない場合にDoFの利用を最適化する方法を検討する。

提案手法

• 本方式は、整数パラメータLを用いてプレフィルミング行列を構造化するディオファントス近似に基づく多層型干渉整合化フレームワークを採用する。
• 各Lに対して、各ユーザーが(L+1)スティームを送信するようにプレフィルミング行列を設計し、各ユーザーが(2L+1)受信機次元を消費する。
• 実現可能なDoFは、d = 3(L+1)((L+1)M - (L+2)N)+ として導出され、受信機次元の制限およびビームフォーミング上界に制約を受ける。
• 受信機次元が完全に消費されない場合にDoFの利用を最大化するため、最小のLから順次複数のL値を適用する組み合わせ的設計戦略を用いる。
• 時間領域における有限なシンボル拡張を用いて分数DoFを実現し、資源使用が方式の周期性と整合するように時間スロットを選択する。
• DoF領域は、実現可能なDoFと一般上界およびビームフォーミング上界を組み合わせることで導出され、d ≤ min{3(L+1)((L+1)M - (L+2)N)+, (3L+3)/(2L+1) N} が得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 定数係数を有する3ユーザーM×N対称MIMO干渉チャネルにおいて、新たな干渉整合化方式は、従来の方式よりも高い自由度（DoF）を達成できるか？
• RQ2 提案方式はどのMおよびNの値で最適なDoFを達成するのか？ また、最も緊密な既知の上界と比較してどうなるか？
• RQ3 受信機次元が未利用の状態で、異なるL値を用いた多層型プレフィルミングをどのように組み合わせればDoFの利用を向上させられるか？
• RQ4 提案方式がカバーする実現可能なDoF領域は何か？ また、ビームフォーミング上界および一般上界と比較してどうなるか？

主な発見

• 提案方式は、すべてのM/N ≥ 5/3において最適なDoFを達成し、この範囲で従来の方式を上回る性能を示す。
• L = 1,2,… に対してM/N = (2L+3)/(2L+1) である場合、本方式はビームフォーミング上界に達し、最も緊密な既知の上界と一致する。
• M=4, N=5の場合、L=4を用い、9時間スロットで12DoF（1ユーザーあたり4DoF）を達成し、5スティームあたり4干渉次元を無駄にする。
• M=8, N=5の場合、L=1およびL=2を順次5時間スロットで使用し、24DoF（1ユーザーあたり8DoF）を達成し、従来の方式を上回る。
• N=5のとき、M=2,3,7,8,9において、本方式は従来のアプローチよりも高いDoFを達成し、M=2,3,9では上界に一致する。
• N=5のとき、M=4,6,7,8においてDoFが未同定であり、同定のギャップが依然として存在することを示している。