[論文レビュー] Interference Channels with Coordinated Multi-Point Transmission: Degrees of Freedom, Message Assignment, and Fractional Reuse

Aly El Gamal, V. Sreekanth Annapureddy+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、各メッセージが最大M個の送信機に存在するCoordinated Multi-Point (CoMP)送信を伴うKユーザー干渉チャネルにおける自由度（DoF）を調査する。完全に接続されたチャネルでは、M ≥ 2であっても、漸近的1ユーザーあたりのDoFは常に1/2のままであるが、各送信機が自身とL個の隣接受信機に接続される局所的に接続されたチャネルでは、非対称なメッセージ割り当てと分周波数リソースの使用により、DoFを最大{1/2, 2M/(2M+L)}まで向上させることができ、L=1のワイナーモデルでは2M/(2M+1)に達する。

ABSTRACT

Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission is an infrastructural enhancement under consideration for next generation wireless networks. In this work, the capacity gain achieved through CoMP transmission is studied in various models of wireless networks that have practical significance. The capacity gain is analyzed through the degrees of freedom (DoF) criterion. The DoF available for communication provides an analytically tractable way to characterize the capacity of interference channels. The considered channel model has K transmitter/receiver pairs, and each receiver is interested in one unique message from a set of K independent messages. Each message can be available at more than one transmitter. The maximum number of transmitters at which each message can be available, is defined as the cooperation order M. For fully connected interference channels, it is shown that the asymptotic per user DoF, as K goes to infinity, remains at 1/2 as M is increased from 1 to 2. Furthermore, the same negative result is shown to hold for all M > 1 for any message assignment that satisfies a local cooperation constraint. On the other hand, when the assumption of full connectivity is relaxed to local connectivity, and each transmitter is connected only to its own receiver as well as L neighboring receivers, it is shown that local cooperation is optimal. The asymptotic per user DoF is shown to be at least max {1/2,2M/(2M+L)} for locally connected channels, and is shown to be 2M/(2M+1) for the special case of Wyner's asymmetric model where L=1. An interesting feature of the proposed achievability scheme is that it relies on simple zero-forcing transmit beams and does not require symbol extensions. Also, to achieve the optimal per user DoF for Wyner's model, messages are assigned to transmitters in an asymmetric fashion unlike traditional assignments where message i has to be available at transmitter i.

研究の動機と目的

• Coordinated Multi-Point (CoMP)送信によって強化されたKユーザー干渉チャネルにおける自由度（DoF）を分析すること。
• メッセージ割り当てと協調順序Mが、完全に接続された干渉チャネルにおいて、漸近的1ユーザーあたりのDoFを1/2を超えることができるかどうかを調査すること。
• 各送信機が自身とL個の隣接受信機にのみ接続されるような局所的接続性がDoF向上に与える影響を調査すること。
• すべてのユーザーが等しいDoFを達成できるよう最適なメッセージ割り当て戦略を特定し、分周波数リソースの使用が必須であるかどうかを検討すること。
• 外挙動境界を確立し、シンボル拡張を用いずにゼロフォースビームフォーミングのみを用いてDoF向上を実現することを証明すること。

提案手法

• CoMP送信を伴う干渉チャネルの高SNR合計容量を特徴付けるために、自由度（DoF）基準を用いる。
• 協調順序Mを課し、各メッセージが最大M個の送信機に存在することを制限することで、有限のバックホール容量をモデル化する。
• 完全に接続されたモデルと局所的に接続されたモデルの両方を分析し、局所的接続性は各送信機が自身とL個の隣接受信機に接続されることで定義される。
• シンボル拡張を必要としないゼロフォース送信ビームフォーミング方式を提案し、意図しない受信機での干渉を無効化する。
• 特にワイナーモデル（L=1）においては、メッセージiが送信機iに割り当てられるとは限らない非対称なメッセージ割り当て戦略を採用する。
• すべてのユーザーが等しいDoFを達成できるようにするため、分周波数リソースの使用を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に接続されたKユーザー干渉チャネルにおいて、協調順序M ≥ 2のCoMP送信が、漸近的1ユーザーあたりのDoFを1/2を超えることができるか？
• RQ2 各送信機が自身とL個の隣接受信機にのみ接続されるような局所的接続性は、完全接続性よりも高いDoFを実現できるか？
• RQ3 協調順序Mが制限された局所的に接続された干渉チャネルにおいて、DoFを最大化するメッセージ割り当て戦略は何か？
• RQ4 提案された方式において、すべてのユーザーが等しいDoFを達成するために分周波数リソースの使用が必要か？
• RQ5 シンボル拡張を用いずに、ゼロフォースビームフォーミングのみを用いてDoF向上を達成できるか？

主な発見

• 完全に接続された干渉チャネルでは、M ≥ 1のすべての状況において、ローカル協調制約を満たすいかなるメッセージ割り当てに対しても、漸近的1ユーザーあたりのDoFは1/2のまま維持される。
• 各送信機が自身とL個の隣接受信機に接続される局所的に接続されたチャネルでは、漸近的1ユーザーあたりのDoFは最大{1/2, 2M/(2M+L)}以上である。
• L=1のワイナーモデルでは、漸近的1ユーザーあたりのDoFは正確に2M/(2M+1)であり、M ≥ 1のすべての状況で1/2を超える。
• 最適なDoF向上は、メッセージiが送信機iに割り当てられるとは限らない非対称なメッセージ割り当てによって達成される。特にL=1の場合に顕著である。
• すべてのユーザーが等しいDoFを達成するためには、分周波数リソースの使用が必要である。これは、スケジューリングの都合で一部の受信機が非アクティブになる必要があるためである。
• 提案された方式は、シンボル拡張を用いずにゼロフォースビームフォーミングのみを用いてDoF向上を達成しており、複雑な信号処理を必要としない。