[論文レビュー] MISO Networks with Imperfect CSIT: A Topological Rate-Splitting Approach

Chenxi Hao, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、任意の不完全なCSIT品質を有するKセルMISO干渉チャネルに対して、新しい送信方式であるトポロジカルレートスプリット（TRS）を提案する。複数のユーザグループに対する共通メッセージの構造と多層復調プロセスを活用することで、従来のRSより広いDoF領域を達成し、ハイパーグラフ分数パッキングを用いて最大和DoFを最適化する。

ABSTRACT

Recently, the Degrees-of-Freedom (DoF) region of multiple-input-single-output (MISO) networks with imperfect channel state information at the transmitter (CSIT) has attracted significant attentions. An achievable scheme is known as rate-splitting (RS) that integrates common-message-multicasting and private-message-unicasting. In this paper, focusing on the general $K$-cell MISO IC where the CSIT of each interference link has an arbitrary quality of imperfectness, we firstly identify the DoF region achieved by RS. Secondly, we introduce a novel scheme, so called Topological RS (TRS), whose novelties compared to RS lie in a multi-layer structure and transmitting multiple common messages to be decoded by groups of users rather than all users. The design of TRS is motivated by a novel interpretation of the $K$-cell IC with imperfect CSIT as a weighted-sum of a series of partially connected networks. We show that the DoF region achieved by TRS covers that achieved by RS. Also, we find the maximal sum DoF achieved by TRS via hypergraph fractional packing, which yields the best sum DoF so far. Lastly, for a realistic scenario where each user is connected to three dominant transmitters, we identify the sufficient condition where TRS strictly outperforms conventional schemes.

研究の動機と目的

• 任意の不均一なCSIT品質レベルを有するKセルMISO干渉チャネルにおける効率的な送信戦略の設計という課題に対処する。
• 不完全なCSIT下での従来のレートスプリット（RS）の性能制限を克服するため、構造的で多層的なアプローチを導入する。
• CSIT品質のトポロジカルパターンを活用して、自由度（DoF）と和DoFを向上させる、新しい送信フレームワークを構築する。
• 現実的なネットワーク環境下で、提案手法が既存手法を厳密に上回る条件を同定する。

提案手法

• CSIT品質のトポロジカル構造に基づき、部分的に接続されたサブネットワークの重み付き和として、不完全なCSITを有するKセルMISOICをモデル化する。
• 複数の共通メッセージを全ユーザーではなくユーザグループにブロードキャストする多層送信構造を設計する。
• 受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用い、システム共通メッセージ、グループ共通メッセージ、プライベートメッセージの順に復調する。
• 共通メッセージグループ間の最適なパワー割り当てを求めるために、ハイパーグラフ分数パッキングを適用する。
• CSIT品質に基づく異なる接続パターンを有するサブネットワークの和として、干渉チャネルを新たな解釈で定式化する。
• 高SNR領域における信号対干渉＋ノイズ比（SINR）スケーリング則とエントロピー解析を用いて、DoF領域の式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意のCSIT品質レベルを有するKセルMISOICにおける従来のレートスプリット（RS）の実現可能なDoF領域は何か？
• RQ2 不完全なCSIT下で、多層的かつグループベースの共通メッセージ送信方式は、従来のRSに比べてどのようにDoF性能を向上させるか？
• RQ3 提案されたトポロジカルレートスプリット（TRS）方式で達成可能な最大和DoFは何か？
• RQ4 CSIT品質のトポロジー的条件下で、TRSはどのように従来手法を厳密に上回るか？
• RQ5 ハイパーグラフ分数パッキングの定式化は、TRSにおける和DoFを最大化するための最適パワー割り当てをどのように可能にするか？

主な発見

• トポロジカルレートスプリット（TRS）が達成するDoF領域は、従来のレートスプリット（RS）のDoF領域を厳密に含み、優れた性能を示す。
• TRSが達成する最大和DoFはハイパーグラフ分数パッキングにより最適化され、不完全なCSITを有するKセルMISOICにおいて、これまで報告された最高の和DoFを達成する。
• 各ユーザが3つの主要な送信機に接続される現実的なシナリオにおいて、最適パワー割り当て下で、$K$ が奇数の場合は和DoFが $\frac{K+1}{2}$、偶数の場合は $\frac{K}{2}$ を達成する。
• $K$ が偶数の場合、グループ共通メッセージの和DoFの上限は $\frac{K}{2}$ であり、これは交互に配置されたユーザの共通メッセージレートが1に設定されたときに達成される。
• $K$ が奇数の場合、グループ共通メッセージの和DoFの上限は $\frac{K+1}{2}$ であり、これは $\frac{K+1}{2}$ 個のユーザの共通メッセージレートを1に設定することで達成される。
• CSIT品質トポロジーが非一様なグループ化を可能にし、グループ内品質がグループ間品質より低い場合、提案手法は従来手法を厳密に上回る。