[論文レビュー] Imperfect and Unmatched CSIT is Still Useful for the Frequency Correlated MISO Broadcast Channel

Chenxi Hao, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 5被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、不完全で一致しないCSITを有する周波数相関MISOブロードキャストチャネルにおける、ゼロフォーシングビームフォーミング（ZFBF）とマダッハ＝アリ＝ツェ（MAT）方式を組み合わせた新規送信方式を提案し、DoF領域を達成する。この方式はCSIT品質に依存するパrameter化されたDoF領域を実現し、ZFBFとMATの性能差を埋め、各ユーザーが$\frac{2 + \alpha}{3}$のDoFを達成する。ここで$\alpha$はCSIT品質を反映する。

ABSTRACT

Since Maddah-Ali and Tse showed that the completely stale transmitter-side channel state information (CSIT) still benefits the Degrees of Freedom (DoF) of the Multiple-Input-Multiple-Output (MISO) Broadcast Channel (BC), there has been much interest in the academic literature to investigate the impact of imperfect CSIT on \emph{DoF} region of time correlated broadcast channel. Even though the research focus has been on time correlated channels so far, a similar but different problem concerns the frequency correlated channels. Indeed, the imperfect CSIT also impacts the DoF region of frequency correlated channels, as exemplified by current multi-carrier wireless systems. This contribution, for the first time in the literature, investigates a general frequency correlated setting where a two-antenna transmitter has imperfect knowledge of CSI of two single-antenna users on two adjacent subbands. A new scheme is derived as an integration of Zero-Forcing Beamforming (ZFBF) and the scheme proposed by Maddah-Ali and Tse. The achievable DoF region resulted by this scheme is expressed as a function of the qualities of CSIT.

研究の動機と目的

• 不完全で一致しない送信側のチャネル状態情報（CSIT）が周波数相関MISOブロードキャストチャネルにおける自由度（DoF）領域に与える影響を調査すること。
• 既存の研究が時系列相関チャネルに限定しているのを補完するために、任意のCSIT品質を有する2サブバンド周波数相関シナリオを分析すること。
• ゼロフォーシングビームフォーミング（ZFBF）とMAT方式を統合する新規送信戦略を設計し、不完全CSIT下でのDoF性能を向上させること。
• 両ユーザーのCSIT品質関数としての実現可能なDoF領域を導出すること、特にZFBFやMAT単体では最適でない領域において。

提案手法

• ZFBFとMAT方式を組み合わせたハイブリッド送信方式を提案し、先行干渉キャンセレーション（SIC）を用いたプレフィルタリングと干渉キャンセレーションを実施する。
• プライベートシンボルを交互にサブバンドで送信し、共通メッセージをサブバンド間で再利用することでチャネル相関を活用する信号伝送構造を設計する。
• 3段階の送信プロセスを導入する：(1) プライベートシンボル送信、(2) 聞き取り干渉を用いた共通メッセージ送信、(3) サブバンド間の電力割り当てを伴うSICに基づく復調。
• プライベートシンボルの送信を制御するパrameter $\alpha$ と共通メッセージの送信を制御するパrameter $\beta$ を導入し、$\alpha \in [0, \beta]$ を満たす。
• ユーザーが共通メッセージを最初に復調し、その後にプライベートシンボルを復調する復調戦略を採用し、SICを用いて干渉をキャンセルする。
• SNR $P$ における和スループットの漸近的スケーリングを分析することでDoF領域を導出する。$\lim_{P \to \infty} \frac{\log R}{\log P} = \text{DoF}$ を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全で一致しないCSITは周波数相関MISOブロードキャストチャネルにおけるDoF領域にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ZFBFとMAT方式をハイブリッドに組み合わせた送信戦略は、不完全CSIT下で単体のZFBFやMATを上回る性能を達成できるか？
• RQ3 2サブバンド周波数相関環境下で、ユーザー間およびサブバンド間でCSIT品質が異なる場合、実現可能なDoF領域は何か？
• RQ4 提案された方式は、ZFBF（$\alpha = \beta$ 時に最適）とMAT（$\alpha = 0$ 時に最適）のDoF性能差をどのように埋め合わせるか？
• RQ5 共通メッセージの再利用と干渉アライメントは、不完全CSIT下でのDoF向上に果たす役割は何か？

主な発見

• 提案方式は、$\alpha$ がCSIT品質を定量化するため、両ユーザーに $\frac{2 + \alpha}{3}$ のDoFを達成し、中間領域では純粋なZFBFやMATを上回る性能を示す。
• MATと同等の和DoF（$\frac{4}{3}$）を達成するが、チャネル使用回数が少ないため、スペクトル効率が優れている。
• $\alpha = 0$ の場合、方式はMAT方式に簡略化され、ユーザー1人あたりDoFが $\frac{2}{3}$ に達する。
• $\alpha = \beta$ の場合、方式はZFBFに簡略化され、完璧なCSITを持つユーザーはDoFが1、他方は$\alpha$ を達成する。
• DoF領域は $\alpha$ と $\beta$ の連続関数として表現され、MATとZFBFの領域を滑らかに接続する。
• ZFBFに比べて、$\beta - \alpha$ 増加したチャネル使用回数で、和スループットが $2(\beta - \alpha)\log P$ だけ向上し、スペクトル効率の向上を示している。