[論文レビュー] Leakage-Based Robust Beamforming for Multi-Antenna Broadcast System with Per-Antenna Power Constraints and Quantized CDI

Ming Ding, Meng Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 30被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、各アンテナの出力制限と量子化されたチャネル方向情報（CDI）を有する多ユーザーMISOブロードキャストシステムに対するロバストビームフォーミング方式を提案する。ゼロフォーカス（ZF）ビームフォーミングが量子化CDI下で平均干渉を最小化することを証明し、干渉漏れ電力の閉形式の累積分布関数（CDF）を導出。さらに、幾何プログラミングを用いて電力分配を最適化し、重み付き和レート性能を最大化する2つの漏れ制御ビームフォーミング方式—最小平均漏れ制御（MALC）と緩和平均漏れ制御（RALC）—を提案する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the robust beamforming schemes for a multi-user multiple-input-single-output (MU-MISO) system with per-antenna power constraints and quantized channel direction information (CDI) feedback. Our design objective is to maximize the expectation of the weighted sum-rate performance by means of controlling the interference leakage and properly allocating the power among user equipments (UEs).First, we prove the optimality of the non-robust zero-forcing (ZF) beamforming scheme in the sense of generating the minimum amount of average inter-UE interference under quantized CDI. Then we derive closed-form expressions of the cumulative density function (CDF) of the interference leakage power for the non-robust ZF beamforming scheme, based on which we adjust the leakage thresholds and propose two robust beamforming schemes under per-antenna power constraints with an iterative process to update the per-UE power allocations using the geometric programming (GP). Simulation results show the superiority of the proposed robust beamforming schemes compared with the existing schemes in terms of the average weighted sum-rate performance.

研究の動機と目的

• FDDシステムにおける制限されたレートのCDIフィードバックによる不完全なチャネル状態情報の課題に対処する。
• 実用的なマルチアンテナベースステーションに一般的な現実的な各アンテナ出力制限下でのロバストビームフォーミングを設計する。
• 干渉漏れの制御と電力分配の最適化により、重み付き和レート性能を最大化する。
• 量子化CDI下での干渉漏れの理論的基盤を確立し、ロバスト設計を可能にする。
• 各アンテナ出力制限を組み込んだ漏れに基づく最適化により、既存のロバストビームフォーミング手法を拡張する。

提案手法

• 非ロバストなZFビームフォーミングが量子化CDI下で平均ユーザ間干渉を最小化することを証明し、ロバスト設計の基準を確立する。
• 量子化CDI下でのZFビームフォーミングにおける干渉漏れ電力の閉形式の累積分布関数（CDF）を導出する。
• 導出されたCDFに基づいて漏れしきい値を調整することで、2つのロバストビームフォーミング方式—MALCとRALC—を提案する。
• 幾何プログラミング（GP）を用いて、各アンテナ出力制限下での反復的電力分配最適化を行う。
• 干渉漏れを量子化分解能とチャネル分布に依存する確率変数としてモデル化し、確率的制約を可能にする。
• 漏れ電力のCDFを最適化フレームワークに統合することで、CDI量子化誤差に対するロバスト性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限られたビット数のCDIフィードバック下で、ゼロフォーカスビームフォーミングは平均干渉漏れを最小化するのに最適であるか？
• RQ2 量子化CDI下でのZFビームフォーミングにおける干渉漏れ電力の正確な統計的分布は何か？
• RQ3 ロバスト性と和レート性能のバランスをとるために、漏れしきい値をどのように適応的に設定できるか？
• RQ4 幾何プログラミングは、各アンテナ出力制限下でもロバスト性を維持しながら、電力分配を効果的に最適化できるか？
• RQ5 提案された漏れに基づくビームフォーミングは、実用的制約下で、既存手法に比べて重み付き和レート面でどのように優れているか？

主な発見

• 非ロバストなZFビームフォーミングが、量子化CDI下で最小の平均ユーザ間干渉を生成することを証明し、干渉漏れ最小化における最適性を裏付けた。
• 本稿では、ZFビームフォーミング下での干渉漏れ電力のCDFについて、閉形式の式を導出した。これにより、残り干渉の正確な統計的モデリングが可能になった。
• シミュレーションにおいて、MALCおよびRALCビームフォーミング方式は、既存のロバストビームフォーミング手法よりも高い平均重み付き和レートを達成した。
• 反復的GPベースの電力分配プロセスは、効率的に収束し、各アンテナ出力制限を尊重するため、実用的妥当性が保証された。
• 特にユーザー数が多く、多重性利得が高い状況では、提案手法が顕著な性能向上を示した。
• 理論的CDFにより、CDI不確実性下でのロバストビームフォーミングのための正確なしきい値設定が可能となり、システム信頼性が向上した。