[論文レビュー] Close-Form Design of Antenna-Constrained Multi-Cell Multi-User Downlink Interference Alignment

Haichuan Zhou, Tharm Ratnarajah|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 35被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、有限アンテナを備えた基地局およびユーザーを備えたマルチセルマルチユーザー下行リンクネットワークに対して、閉形式で動的干渉整合性を提示する。因果的で部分空間に基づく設計により、送信および受信 beamforming を共同最適化することで、アンテナおよびCSIのオーバーヘッドを低減し、従来の静的および反復的手法よりも実用的かつスペクトル効率に優れた、完全な自由度（DoF）を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates the downlink channels in multi-cell multi-user interfering networks. The goal is to propose close-form designs to obtain degrees of freedom (DoF) in high SNR region for the network composed of base stations (BS) as transmitters and mobile stations (MS) as receivers. Consider the realistic system, both BS and MS have finite antennas, so that the design of interference alignment is highly constrained by the feasibility conditions. The focus of design is to explore potential opportunities of alignment in the subspace both from the BS transmit side and from the MS receive side. The new IA schemes for cellular downlink channels are in the form of causal dynamic processes in contrary to conventional static IA schemes. For different implementations, system conditions are compared from all aspects, which include antenna usage, CSI overhead and computational complexity. This research scope covers a wide range of typical multi-cell multi-user network models. The first one is a $K$-cell fully connected cellular network; the second one is a Wyner cyclic cellular network with two adjacent interfering links; the third one is a Wyner cyclic cellular network with single adjacent interfering link considering cell-edge and cell-interior users respectively.

研究の動機と目的

• 実際の有限アンテナ制約を伴うマルチセルマルチユーザー下行リンクネットワークにおける干渉管理の課題に対処すること。
• マルチセル環境における従来の静的または反復的干渉整合性手法の制限を克服すること。
• DoF、アンテナ使用量、CSIのオーバーヘッド、計算複雑性のバランスを取った、頑健な閉形式ビームフォーミングソリューションを設計すること。
• 送信および受信部分空間構造を活用する動的かつ因果的な整合プロセスを探索し、実現可能性を向上させること。
• 現実的なハードウェア制約下で、さまざまなワイナータイプのセルラーモデルにおけるシステム性能を比較すること。

提案手法

• 因果的で動的干渉整合性プロセスを提案し、部分空間ドメインで逐次的に隣接セル干渉（ICI）およびユーザー間干渉（IUI）を整合する。
• 基地局でキャスケード型プレコーディングを用いてICI部分空間を整合し、その後受信ビームフォーミングで整合された部分空間内でのIUIを抑制する。
• 反復計算を必要としない、送信および受信ビームフォーミングベクトルの新規な閉形式設計を導入し、解析的実現可能性とDoF最適化を可能にする。
• アンテナ資源が限られる状況でも性能を維持するため、干渉漏れ最小化を頑健な指標として採用する。
• 干渉部分空間を目的信号部分空間に対して直交させる双対性に基づく設計アプローチを採用し、前後方向のシグナリングを回避する。
• 基本的（キャスケード型プレコーディング）および高度な（共同最適化ビームフォーマー）の2つのアプローチを比較し、複数のワイナータイプのセルラーモデルで性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限アンテナを備えた送信機および受信機を有するマルチセル下り回線ネットワークにおいて、閉形式で反復的でない干渉整合性スキームが完全なDoFを達成可能か。
• RQ2 マルチセル環境において、静的または反復的IA手法と比較して、動的かつ因果的ビームフォーミング設計が実現可能性および性能をどのように向上させるか。
• RQ3 実用的なマルチセルネットワークにおいて、DoF、アンテナ使用量、CSIのオーバーヘッド、計算複雑性のトレードオフは何か。
• RQ4 基地局のアンテナ数が、異なる整合戦略下での残存干渉および達成可能なレートにどのように影響するか。
• RQ5 アンテナリソースが限られる状況でも、頑健な干渉漏れ最小化が非ゼロのDoFを維持できるか。

主な発見

• 提案された高度なアプローチは、$ N_t = 12 $（$ 2Md $ に相当）に達した場合、モデル2で完全なDoFを達成するが、$ N_t = 11 $ の場合は設計されたDoFの半分にとどまる。
• $ N_t < 11 $ の場合、残存干渉のためネットワークはゼロDoFを達成する。これはアンテナリソース配分における重要な閾値を示している。
• ビームフォーミングコードブック集合のサイズ $ | frac{B}_k| $ を1から200に増加させることで、残存干渉が低減し、スペクトル効率が向上する。これは、より大きなコードブック多様性の利点を示している。
• モデル3において、高度なアプローチは基本的アプローチと比較して、同じ完全なDoFを達成しながら、総アンテナ使用量を20％削減する。これはスペクトルおよびハードウェア効率の向上を示している。
• $ N_t = 12 $ の場合、高度なアプローチは、セルエッジユーザーの受信アンテナが少ない状況でも、基本的アプローチよりも完全なDoFを達成し、より低い残存干渉を実現する。
• 動的かつ因果的ビームフォーミングプロセスにより、現実の制約下でも頑健な性能が達成され、従来の静的および反復的手法よりもDoFおよびシステム複雑度の指標で優れている。