[論文レビュー] Error Probability Analysis and Power Allocation for Interference Exploitation Over Rayleigh Fading Channels

Abdelhamid Salem, Christos Masouros|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、M-PSK信号方式を用いたRayleigh fadingチャネル上におけるMU-MIMOシステムにおける構成的干渉（CI）プレコーディングの最初の統計的分析を提示する。瞬間生成関数（MGF）および符号誤り確率（SEP）の正確な式と漸近的式を導出することで、等価なパワー割り当てに対して最大13 dBのSNRゲイン、ZFBFに対して最大20 dBのSEPゲインを達成する最適化されたパワー割り当てが可能となる。

ABSTRACT

This paper considers the performance analysis of constructive interference (CI) precoding technique in multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems with a finite constellation phase-shift keying (PSK) input alphabet. Firstly, analytical expressions for the moment generating function (MGF) and the average of the received signal-to-noise-ratio (SNR) are derived. Then, based on the derived MGF expression the average symbol error probability (SEP) for the CI precoder with PSK signaling is calculated. In this regard, new exact and very accurate asymptotic approximation for the average SEP are provided. Building on the new performance analysis, different power allocation schemes are considered to enhance the achieved SEP. In the first scheme, power allocation based on minimizing the sum symbol error probabilities (Min-Sum) is studied, while in the second scheme the power allocation based on minimizing the maximum SEP (Min-Max) is investigated. Furthermore, new analytical expressions of the throughput and power efficiency of the CI precoding in MU-MIMO systems are also derived. The numerical results in this work demonstrate that, the CI precoding outperforms the conventional interference suppression precoding techniques with an up to 20dB gain in the transmit SNR in terms of SEP, and up to 15dB gain in the transmit SNR in terms of the throughput. In addition, the SEP-based power allocation schemes provide additional up to 13dB gains in the transmit SNR compared to the conventional equal power allocation scheme.

研究の動機と目的

• Rayleigh fadingチャネル上における構成的干渉（CI）プレコーディングMU-MIMOシステムの受信SNRの統計的特性を初めて正確に特定すること。
• MGFおよび平均SNRの解析的表現を導出し、M-PSK信号方式を用いたCIプレコーディングの性能評価を可能にすること。
• 総誤り確率（SEP）または最大誤り確率（SEP）を最小化するパワー割り当て方式を提案し、システムの信頼性を向上させること。
• CIプレコーディングにおけるスループットおよびパワー効率の明示的な解析的表現を導出すること。
• SEP、スループット、パワー効率の観点から、従来のゼロフォース（ZF）プレコーディングと比較してCIプレコーディングが示す性能向上を評価すること。

提案手法

• Rayleigh fadingチャネル上におけるM-PSK入力のCIプレコーディングMU-MIMOシステムの瞬間生成関数（MGF）および平均受信SNRの正確な閉形式表現を導出する。
• 導出したMGFを用いて、正確な平均符号誤り確率（SEP）を計算し、SEPの高精度な漸近的近似を提供する。
• 2種類のパワー割り当て方式を提案する：Min-Sum（総SEPを最小化）およびMin-Max（最大SEPを最小化）であり、誤り性能の向上を図る。
• CIプレコーディングモデルおよびチャネル統計に基づいて、スループットおよびパワー効率の明示的な解析的表現を導出する。
• さまざまなSNR領域、変調方式、システム構成において、数値シミュレーションを通じて解析的結果の妥当性を検証する。
• SEP、スループット、パワー効率の観点から、従来のZFプレコーディングおよび等価パワー割り当てと比較し、性能向上を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M-PSK信号方式を用いたCIプレコーディングMU-MIMOシステムにおいて、Rayleigh fadingチャネル上での受信SNRの正確な統計的分布は何か？
• RQ2 M-PSKを用いたCIプレコーディングの平均符号誤り確率（SEP）に対する漸近的近似は、どの程度の精度を有するか？
• RQ3 総SEPまたは最大SEPを最小化する目的で設計されたパワー割り当て方式は、等価パワー割り当てと比較して、どれほどシステム性能を向上させ得るか？
• RQ4 さまざまなSNRレベルおよび変調方式において、CIプレコーディングは従来のZFプレコーディングと比較して、SEP、スループット、パワー効率の観点でどの程度優れているか？
• RQ5 基地局のアンテナ数および送信パワーが、MU-MIMOシステムにおけるCIプレコーディングのパワー効率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• CIプレコーディングは、符号誤り確率（SEP）の観点から、従来のZFプレコーディングと比較して最大20 dBの送信SNRゲインを達成する。
• 提案されたMin-SumおよびMin-Maxパワー割り当て方式は、等価パワー割り当てと比較して、SEP性能において最大13 dBの追加的なSNRゲインを提供する。
• 特定のターゲットスループットを達成する条件下で、CIプレコーディングのスループット性能は、すべての変調方式においてZFプレコーディングを最大15 dBの送信SNRで上回る。
• 低SNRおよび少ない基地局アンテナ数では低次変調（例：QPSK）のパワー効率が高く、高SNRおよび大規模アンテナ配列では高次変調（例：32-PSK）がより効率的となる。
• SEPの漸近的近似は非常に正確であり、特に高SNR領域で優れた性能予測が可能であり、モンテカルロシミュレーションを実施せずに信頼性の高い性能評価が可能となる。
• ユーザー数や基地局アンテナ数が増加するにつれて、CIプレコーディングのSEP性能が向上し、高密度マルチユーザー環境においてもスケーラビリティおよびロバスト性を示す。