[論文レビュー] Downlink Performance and Capacity of Distributed Antenna Systems

Sina Firouzabadi, Andrea Goldsmith|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2011

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering参考文献 9被引用数 18

ひとこと要約

本稿は、各アンテナごとの電力制約を伴う分散アンテナシステム（DAS）のエルゴディック下り回線容量を確立し、送信機におけるチャネル状態情報（CSIT）が完全か受信機でのみ利用可能かの2つの状況において、閉形式の容量式を導出する。CSITが存在する場合にはビームフォーミングが最適であることを証明する一方、CSITが存在しない場合にはアンテナ間で等価な電力割り当てが最適であり、最適なアンテナ配置がシステム容量およびエネルギー効率を顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

This paper investigates the performance of the downlink channel in distributed antenna systems. We first establish the ergodic capacity of distributed antennas, under different channel side information (CSI) assumptions. We consider a generalized distributed antenna system with $N$ distributed ports, each of which is equipped with an array of $L$ transmit antennas and constrained by a fixed transmit power. For this system we calculate the downlink capacity to a single antenna receiver, under different assumptions about the availability of the channel states at the transmitter. Having established this information theoretic analysis of the ergodic capacity of distributed antenna systems, this paper also investigates the effect of antenna placement on the performance of such systems. In particular, we investigate the optimal placement of the transmit antennas in distributed antenna systems. We present a fairly general framework for this optimization with no constraint on the location of the antennas. Based on stochastic approximation theory, we adopt a formulation that is suitable for node placement optimization in various wireless network scenarios. We show that optimal placement of antennas inside the coverage region can significantly improve the power efficiency of wireless networks.

研究の動機と目的

• 実装において一般的に見られる各アンテナごとの電力制約を伴う分散アンテナシステム（DAS）のエルゴディック下り回線容量を分析すること。
• 送信機におけるチャネル状態情報（CSIT）がシステム容量に与える影響を、完全なCSITと受信機でのみのCSIの状況に分けて調査すること。
• 一般で制約のない地理的フレームワークにおいて、分散アンテナポートの最適配置を特定し、システム性能とエネルギー効率を最大化すること。
• 従来の集中型アンテナシステムと比較して、最適アンテナ配置によって達成可能な容量および電力効率の向上を定量すること。

提案手法

• 各ポートがL本の送信アンテナと個別の電力予算S_mを有するN個の分散ポートを有する一般化されたDASモデルを定式化する。
• 完全なCSITと受信機でのみのCSIの2つのCSIT仮定の下で、確率的最適化問題を解き、エルゴディック容量の閉形式式を導出する。
• トポロジー的制約なしにアンテナ配置を最適化するために確率的近似理論を適用し、一般化された展開シナリオを可能にする。
• ジェンセンの不等式と共分散の上限を用いて、実現可能なSNRの上限を導出し、電力割り当ての最適性条件を証明する。
• 完全なCSITが存在する場合、各ポートにおけるビームフォーミングが容量を最大にするのに対し、CSITが存在しない場合には各ポート内でのアンテナ間で等価な電力割り当てが最適であることを示す。
• 対称的でない電力割り当てへの任意の逸脱が目的関数値において矛盾を引き起こすことを示すことにより、導出された解の最適性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 各アンテナごとの電力制約を伴う分散アンテナシステムにおける、送信機におけるチャネル状態情報の異なるレベル（完全なCSITと受信機でのみのCSI）を想定したエルゴディック下り回線容量は何か？
• RQ2 送信機におけるCSIの有無に応じて、最適な送信戦略（ビームフォーミング対等価電力割り当て）はどのように変化するか？
• RQ3 最適なアンテナ配置が分散アンテナシステムの容量およびエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ4 各アンテナごとの電力制約下で、DASの下り回線容量に対して閉形式解を導出できるか。もしそうなら、どのような条件下で可能か？
• RQ5 隣接セルからの干渉をDASモデルでノイズとして扱った場合、エルゴディック容量にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 完全なCSITが存在する場合、各分散アンテナポートにおける最適な送信戦略はビームフォーミングであり、信号対雑音比（SNR）を最大にすることで、可能な限り高いエルゴディック容量を達成する。
• CSIが受信機でのみ利用可能な場合、各ポート内のすべてのアンテナに等価な電力を割り当てる戦略が最適であり、ポート間の協調は容量を向上させない。
• CSITおよび非CSITの両状況において、エルゴディック容量が閉形式で導出されており、システム設計の理論的基盤を提供する。
• 分散アンテナの最適配置は、システム容量および電力効率を顕著に向上させ、その向上はアンテナの配置に極めて敏感である。
• 最適配置による容量向上は、特に干渉制限の環境において顕著であり、電力割り当てと配置の共同最適化がなされた場合に最大の効果を発揮する。
• 確率的近似および不等式制約を用いた数学的証明により、導出された容量式が検証されており、CSITが欠如している場合には対称的電力割り当てが最適であることが示されている。