[論文レビュー] Flexible Backhaul Design and Degrees of Freedom for Linear Interference Networks

Aly El Gamal, Venugopal V. Veeravalli|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、平均送信セットサイズ制約Bの下で度数自由度（DoF）を最大化する柔軟なバックハネル設計を提案する。非対称なメッセージ割り当て（一部のメッセージはB個より多い送信機に割り当てられ、他のメッセージはB個未満に割り当てられる）を許容することで、最適なスケームはゼロフォービングビームフォーミングのみを用いて、漸近的1ユーザーあたりのDoFを(4B−1)/(4B)に達成し、均一な送信セットサイズ制約を持つ従来の手法を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

The considered problem is that of maximizing the degrees of freedom (DoF) in cellular downlink, under a backhaul load constraint that limits the number of messages that can be delivered from a centralized controller to the base station transmitters. A linear interference channel model is considered, where each transmitter is connected to the receiver having the same index as well as one succeeding receiver. The backhaul load is defined as the sum of all the messages available at all the transmitters normalized by the number of users. When the backhaul load is constrained to an integer level B, the asymptotic per user DoF is shown to equal (4B-1)/(4B), and it is shown that the optimal assignment of messages to transmitters is asymmetric and satisfies a local cooperation constraint and that the optimal coding scheme relies only on zero-forcing transmit beamforming. Finally, an extension of the presented coding scheme is shown to apply for more general locally connected and two-dimensional networks.

研究の動機と目的

• 1つのメッセージあたりの平均送信機数を制限するバックハネル負荷制約の下で、セルラーダウンリンクにおける度数自由度（DoF）を最大化すること。
• 送信セットサイズがメッセージごとに異なる非対称なメッセージ割り当てが、線形干渉ネットワークにおけるDoF性能に与える影響を分析すること。
• 提案されたバックハネル制約の下で、ゼロフォービングビームフォーミングのみで最適なDoFを達成できることを示すこと。干渉整合の必要性を回避する。
• 線形ネットワークからの知見を、より一般的な局所的接続性を持つ2次元干渉ネットワークに拡張すること。
• 大規模ネットワークにおいて、最適なDoFを達成するために、局所的協調（近隣の受信機とのみ協調する）が十分であることを示すこと。

提案手法

• バックハネル負荷制約を平均送信セットサイズBとして定義し、個々のメッセージの割り当てサイズにばらつきを許容する。
• 非意図的受信機における干渉を線形プリエンディングのみで整合化するゼロフォービング送信ビームフォーミング方式を用いる。
• 一部のメッセージをB個より多くの送信機に、他のメッセージをB個未満の送信機に割り当てる非対称なメッセージ割り当て戦略を設計する。この戦略は平均制約を満たす。
• バックハネル制約下でこの界を達成する符号化方式を構築することにより、漸近的1ユーザーあたりのDoFが(4B−1)/(4B)であることを証明する。
• 2次元ネットワークへの拡張のために、ネットワークを干渉のない線形部分ネットワークに分解し、先行研究の最適スケームの凸結合を適用する。
• 送信機が近隣の受信機とのみ協調する局所的協調が、大規模ネットワークにおける最適DoFを達成するために十分であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平均バックハネル負荷制約Bの下で、線形干渉ネットワークにおける最大達成可能な度数自由度（DoF）は何か？
• RQ2 変動する送信セットサイズを許容する柔軟なバックハネル設計のもとで、ゼロフォービングビームフォーミングのみで最適なDoFを達成できるか？
• RQ3 提案されたスケームの性能は、最大送信セットサイズに一様な制約を課える従来の手法と比べてどのように異なるか？
• RQ4 線形ネットワークからの知見を、局所的接続性を持つより一般的な2次元干渉ネットワークに拡張可能か？
• RQ5 提案されたバックハネルモデルのもとで、大規模干渉ネットワークにおいて局所的協調が最適DoFを達成するために十分か？

主な発見

• 平均バックハネル負荷制約Bの下での漸近的1ユーザーあたりのDoFは(4B−1)/(4B)であり、これは一様な最大送信セットサイズ制約下で達成される(2B)/(2B+1) DoFよりも厳密に大きい。
• 最適スケームはゼロフォービング送信ビームフォーミングのみを用いており、記号拡張や干渉整合の必要性を回避する。
• メッセージ割り当ては非対称である：一部のメッセージはB個より多くの送信機に割り当てられ、他のメッセージはB個未満に割り当てられるが、平均制約は満たされる。
• 高割り当てと低割り当てのメッセージをバランスさせることでバックハネル負荷制約が満たされ、均一割り当て方式よりも高いDoFが達成可能である。
• 局所的接続性を持つ2次元ネットワークでは、バックハネル負荷制約B=1のもとで、ゼロフォービングビームフォーミングと部分ネットワーク分解を用いて1ユーザーあたりのDoFを5/9に達成できる。
• 一般ネットワークにおいて、最大送信セットサイズ制約下で最適化されたスケームを凸結合することで、線形ネットワークにおける最適DoFを達成できる。