[論文レビュー] Joint Constellation Rotation and Symbol-level Precoding Optimization in the Downlink of Multiuser MISO Channels

Maha Alodeh, Björn Ottersten|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、多重ユーザMISO下行リンクにおけるシンボルレベルの precoding とコンステレーション回転の共同最適化を提案し、建設的干渉を促進することでエネルギー効率を向上させる。コンステレーションの対称性を活用し、半定値緩和を用いたブランチアンドバウンド法を用いることで、計算複雑度を低減するとともに、従来手法と比較して相関チャネルにおいて最大6 dBの電力節約を達成する。

ABSTRACT

This paper tackles the problem of the simultaneous interference among the multiple users in the downlink of a wireless multiantenna system. In order to exploit the multiuser interference and transform it into useful power at the receiver side, symbol-level precoding is utilized through joint exploitation of the data from each individual user and the channel state information. This paper introduces a complexity reduction scheme that exploits the constellations symmetry to reduce the number of possible calculations and the number of constraints in the symbol-level optimization problem. This paper also proposes a new transmission technique that jointly optimizes the transmit symbol-level precoding and the constellation rotation of the data stream for each user. The purpose is to increase the probability of having constructive interference, and thus better performance. We focus on improving the energy efficiency by reducing the required power to satisfy certain quality of service constraints through solving a symbol-level precoding problem and finding the optimal phase by which each user constellation should be rotated. This problem is non-convex, therefore, we propose an efficient branch-and-bound algorithm combined with semidefinite relaxation to solve the problem and find an efficient solution. Numerical results are presented in a comparative fashion to show the effectiveness of the proposed technique, which outperforms the state-of-the-art symbol-level precoding schemes in terms of energy efficiency, and power consumption.

研究の動機と目的

• 多重ユーザMISO下行リンクシステムにおけるエネルギー効率の向上を図る。そのために、多重ユーザ干渉を有用な信号電力に変換する。
• コンステレーションの対称性を活用することで、シンボルレベルの precoding の計算複雑度を低減する。
• 送信 precoding ベクトルとユーザ固有のコンステレーション回転を同時に最適化し、建設的干渉を最大化する。
• 双線形制約および定モジュラス制約を含む非凸最適化問題を、半定値緩和およびブランチアンドバウンドを用いて解く。
• コンステレーション回転の影響を、異なるモデュレーション形式およびチャネル相関レベルに対して評価する。

提案手法

• M-PSKおよびM-QAMコンステレーションの対称性を活用することで、入力データベクトルの数を4分の1に削減する複雑度低減スキームを導入する。
• 各ユーザのコンステレーション位相を回転させることで、建設的干渉を強化する、同時最適化フレームワークを提案する。
• 電力最小化問題を、双線形制約（precodingと回転）および定モジュラス制約を含む非凸最適化問題としてモデル化する。
• 非凸問題を凸化するために半定値緩和を適用し、最適解を求めるためにブランチアンドバウンド法を用いる。
• 数値凸最適化ツールを用いて緩和問題を解き、精度と実行時間のバランスを取るために反復的精錬を実施する。
• QPSK、8-QAM、8-PSK、16-QAMなどの異なるモデュレーション順序およびチャネル相関状況において性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンステレーション回転とシンボルレベルの precoding の共同最適化は、多重ユーザMISO下行リンクにおけるエネルギー効率をどのように向上させるか？
• RQ2 コンステレーションの対称性は、シンボルレベルの precoding の計算複雑度をどの程度低減できるか？
• RQ3 チャネル相関がコンステレーション回転による性能向上に与える影響は何か？
• RQ4 従来のチャネルレベルおよびシンボルレベルの precoding と比較して、提案手法の複雑度および性能はどのように異なるか？
• RQ5 高次モデュレーションにおいて、コンステレーション回転による性能向上は減少するか？

主な発見

• 最適なコンステレーション回転により建設的干渉が強化されるため、高相関チャネルでは最大6 dBの電力節約が達成されるのに対し、非相関チャネルでは2 dBにとどまる。
• コンステレーションの対称性を活用することで、最適化問題の必要数が4分の1に削減され、実行時間が顕著に短縮される。例えば、8-PSKの場合、対称性を用いることで17.9秒から7.073秒に短縮される。
• 共同最適化（SLPRo）の実行時間はモデュレーション順序に応じて増加し、8-PSKでは2037.83秒に達するが、対称性を活用することで78.84秒にまで短縮される。
• 高次モデュレーション（例：16-QAM）では、特に非相関チャネルにおいて、コンステレーション回転の性能向上効果が低下する。
• 特に相関 fading 環境において、従来のシンボルレベル precoding よりもエネルギー効率および電力消費量において優れた性能を示す。
• ε₀を小さくしても高い精度を維持するが、ε₀を大きくすると収束速度が向上する反面、精度が低下するトレードオフが生じる。