[論文レビュー] Base station cooperation on the downlink: Large system analysis

Randa Zakhour, Stephen V. Hanly|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、固定された負荷比のもとでユーザ数およびアンテナ数が非常に大きくなる極限において、2セルMIMOシステムにおける下行リンク基地局協調を大規模系解析を用いて分析し、3つの協調レベル（単一セル処理、協調ビームフォーミング、マルチセル処理）における最適送信パワー、ビームフォーミングベクトル、SINRの閉形式式を導出する。主な貢献は、ユーザ数とアンテナ数が共に大きく、負荷比が一定である極限において有効な漸近的公式のセットを提供することであり、これにより異なる協調方式間の直接的な性能比較が可能になる。

ABSTRACT

This paper considers maximizing the network-wide minimum supported rate in the downlink of a two-cell system, where each base station (BS) is endowed with multiple antennas. This is done for different levels of cell cooperation. At one extreme, we consider single cell processing where the BS is oblivious to the interference it is creating at the other cell. At the other extreme, we consider full cooperative macroscopic beamforming. In between, we consider coordinated beamforming, which takes account of inter-cell interference, but does not require full cooperation between the BSs. We combine elements of Lagrangian duality and large system analysis to obtain limiting SINRs and bit-rates, allowing comparison between the considered schemes. The main contributions of the paper are theorems which provide concise formulas for optimal transmit power, beamforming vectors, and achieved signal to interference and noise ratio (SINR) for the considered schemes. The formulas obtained are valid for the limit in which the number of users per cell, K, and the number of antennas per base station, N, tend to infinity, with fixed ratio. These theorems also provide expressions for the effective bandwidths occupied by users, and the effective interference caused in the adjacent cell, which allow direct comparisons between the considered schemes.

研究の動機と目的

• 実用的制約のもとで、2セルMIMO下行リンクシステムにおける異なる基地局協調戦略の性能トレードオフを評価すること。
• 基地局が他のセルの干渉を無視するか、積極的に管理するかの選択に直面する多アンテナセルラーネットワークにおける干渉問題に取り組むこと。
• さまざまな協調度とチャネル状態情報の下で、ネットワーク全体の最小ユーザレート（レートバランス）を最大化すること。
• 送信パワー、ビームフォーミングベクトル、SINRといった主要な性能指標の、大規模系極限において有効な取り扱いやすい漸近的表現を提供すること。
• 有効帯域幅と隣接セルへの干渉漏れに関する表現を導出し、協調方式間の直接比較を可能にすること。

提案手法

• ユーザ数 $K$ と基地局あたりのアンテナ数 $N$ が共に大きく、比率 $\beta = K/N$ が一定である極限において、大規模系解析を適用する。
• 異なる協調制約のもとでのレートバランスのための最適化問題を、ラグランジュ双対性を用いて導出する。
• 大規模系極限における漸近的同等性を用いて、最適ビームフォーミングベクトルおよび送信パワーの閉形式式を導出する。
• 独立したレイノルズフェージングを仮定した2セルMIMOブロードキャストチャネルをモデル化し、ビームフォーミングの安定化のため正則化を導入する。
• 3つの協調レベル（単一セル処理（SCP）、協調ビームフォーミング（CBf）、マルチセル処理（MCP））を分析し、それぞれ異なるCSIおよびデータ共有の仮定を設定する。
• 確定的同等を用いてSINRの極限値および実現可能レートを導出し、スペクトル効率および干渉漏れの観点から異なる方式間の比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2セルMIMO下行リンクにおいて、基地局協調の異なるレベルにおける実現可能最小レートはどのようにスケーリングするか？
• RQ2 大規模系極限において、単一セル処理、協調ビームフォーミング、マルチセル処理の各状況下で、最適ビームフォーミング戦略と送信パワーは何か？
• RQ3 協調方式ごとに、隣接セルに及ぼされる有効干渉漏れはどのように変化し、システム性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 システムの負荷比 $\beta = K/N$ と各協調領域における最適SINRおよびスペクトル効率の関係は何か？
• RQ5 レートバランスの観点から、協調ビームフォーミングが単一セル処理やマルチセル処理を上回る条件は何か？

主な発見

• 本稿では、$N, K \to \infty$ の極限において $\beta = K/N$ が一定である場合に有効な、最適送信パワー、ビームフォーミングベクトル、SINRの閉形式漸近的表現を導出する。
• 協調ビームフォーミングの場合は、ビームフォーミングベクトルがセル内干渉のノルミングとセル間干渉の制御の両方のバランスを達成できることを示している。
• マルチセル処理領域では、共同ビームフォーミングにより他のセルへの干渉が最小化され、最高の最小レートが達成される。
• 隣接セルに及ぼされる有効干渉は明示的に定量化され、協調度が高くなるに従い、特にMCP領域で減少することが示された。
• ある条件下では、1セルあたりの正規化可能な実現可能レートが $\gamma^*$ の減少関数であることが示され、干渉制御が効果的である場合に最適 $\gamma^*$ が最大レートをもたらす。
• 解析により、ノイズ対パワー比 $a = \sigma^2/P$ と干渉パラメータ $\epsilon$ が $a + \epsilon - 2\epsilon^2 - 1 < 0$ を満たす場合、レート関数 $r(\gamma^*)$ は有限の最大値を有することが判明し、これは非自明な最適送信パワー割り当てが存在することを示している。