[論文レビュー] Beyond Dirty Paper Coding for Multi-Antenna Broadcast Channel with Partial CSIT: A Rate-Splitting Approach

Yijie Mao, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 46被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、部分的CSITを伴う多アンテナブロードキャストチャネル向けに、新しい伝送戦略であるダーティ・ペーパー・コードド・レート・スプリット（DPCRS）を提案する。ユーザーのメッセージを共通部とプライベート部に分割し、プライベートストリームにDPCを適用することで、従来のDPCおよび線形プレフィング付きRSよりも広いレート領域を達成するとともに、CSITの不正確さ、ネットワーク負荷、ユーザー配置の変化に対するロバスト性が向上する。

ABSTRACT

Imperfect Channel State Information at the Transmitter (CSIT) is inevitable in modern wireless communication networks, and results in severe multi-user interference in multi-antenna Broadcast Channel (BC). While the capacity of the multi-antenna (Gaussian) BC with perfect CSIT is known and achieved by Dirty Paper Coding (DPC), the capacity and the capacity-achieving strategy of the multi-antenna BC with imperfect CSIT remain unknown. Conventional approaches therefore rely on applying communication strategies designed for perfect CSIT to the imperfect CSIT setting. In this work, we break this conventional routine and make two major contributions. First, we show that linearly precoded Rate-Splitting (RS), relying on the split of messages into common and private parts and linear precoding at the transmitter, and successive interference cancellation at the receivers, can achieve larger rate regions than DPC in multi-antenna BC with partial CSIT. Second, we propose a novel achievable scheme, denoted as Dirty Paper Coded Rate-Splitting (DPCRS), that relies on RS to split the user messages into common and private parts, and DPC to encode the private parts. We show that the rate region achieved by DPCRS in Multiple-Input Single-Output (MISO) BC with partial CSIT is enlarged beyond that of conventional DPC and that of linearly precoded RS. Gaining benefits from the capability of RS to partially decode the interference and partially treat interference as noise, DPCRS is less sensitive to CSIT inaccuracies, networks loads and user deployments compared with DPC and other existing transmission strategies. The proposed DPCRS acts as a new benchmark and the best-known achievable strategy for multi-antenna BC with partial CSIT.

研究の動機と目的

• 完全なCSITが得られない状況における多アンテナブロードキャストチャネルの性能ギャップを解消すること。これは実用的な制限として一般的に見られる。
• 従来のDPCにはCSITの不正確さに対して極めて感受性が高く、フィードバックが不完全な場合に著しく性能が低下することを克服すること。
• 完全CSITを想定した戦略を再利用するのでなく、部分的CSIT状況を前提にした伝送戦略を根本から設計すること。
• 現実的なCSIT制約下でも、スペクトル効率とロバスト性を向上させること。
• DPCとレートスプリットを組み合わせたDPCRSが、DPCおよび線形プレフィング付きRSと比較して優れた性能を示すことを実証すること。

提案手法

• 送信機でユーザーのメッセージを共通ストリームとプライベートストリームに分割し、受信機での逐次干渉キャンセレーションによる干渉管理を可能にする。
• プライベートメッセージストリームにダーティ・ペーパー・コーディング（DPC）を適用することで、干渉を効果的にプレフィング可能にする。
• 共通メッセージに線形プレフィングを適用し、干渉を整列させ、部分的CSIT下でのロバスト性を向上させる。
• レートスプリットが干渉を部分的に復元し、残りをノイズとして扱う能力を活用し、CSIT誤差に対する感受性を低減する。
• 推定誤差と不完全なチャネル知識を考慮した、達成可能なレートの下界を[6]の手法を用いて導出する。
• さまざまなSNRおよびCSIT品質下で、100回のチャネル実現を用いたモンテカルロシミュレーションにより、DPC、RS、およびDPCRSの確立されたレート領域を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的CSIT下で、DPCを用いたレートスプリットは、従来のDPCよりも達成可能なレート領域が広がるか？
• RQ2 提案されたDPCRS方式は、線形プレフィング付きRSおよび従来のDPCと比較して、CSITの不正確さに対してどの程度ロバストか？
• RQ3 DPCとレートスプリットを組み合わせることで、MISOブロードキャストチャネルにおいて、それぞれ単独で用いる場合よりも広いレート領域が得られるか？
• RQ4 ネットワーク負荷およびユーザー配置の変化が、DPCRSの性能向上効果（DPCおよびRSと比較して）にどのように影響するか？
• RQ5 提案されたDPCRSは、部分的CSIT状況下で、DPCよりも低いハードウェアおよび計算複雑性でより高いスペクトル効率を達成できるか？

主な発見

• DPCRSは、部分的CSITを伴うMISO BCにおいて、従来のDPCおよび線形プレフィング付きRSよりも広い確立されたレート領域を達成する。
• CSITが十分に不正確な場合、線形プレフィング付きRSはDPCを上回り、不完全なフィードバック下でのロバスト性を示す。
• RSがDPCを上回るレート領域の改善を達成するが、これはDPCに比べてはるかに低いハードウェアおよび計算複雑性で実現される。
• DPCRSは、CSITの不正確さ、ネットワーク負荷、ユーザー配置の変化に対して、DPCや他の既存戦略よりも感受性が低い。
• すべてのテスト環境において、DPCRSの達成可能なレートの下界は、DPCおよびRSの下界を常に上回る。
• 低SNR領域（例：σ² = 0.09）では、完全CSIT下での理論的優位性を持つDPCでさえ、線形プレフィング付きRSの確立されたレート領域を上回る場合がある。