[論文レビュー] Multi-Cell Interference Exploitation: A New Dimension in Cell Coordination

Zhongxiang Wei, Christos Masouros+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 33被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、送信電力の最小化を目的として、干渉を構築的（constructively）に利用する新たなマルチセル協調フレームワークを提案する。完全なデータ／CSI共有から統計的CSIのみの協調レベルまで分類することで、CoMP や CBF よりも顕著な電力節約を実現し、CSIの不確実性下でもロバストな最適化を可能にする。

ABSTRACT

In this paper, we propose a series of novel coordination schemes for multi-cell downlink communication. Starting from full base station (BS) coordination, we first propose a fully-coordinated scheme to exploit beneficial effects of both inter-cell and intra-cell interference, based on sharing both channel state information (CSI) and data among the BSs. To reduce the coordination overhead, we then propose a partially-coordinated scheme where only intra-cell interference is designed to be constructive while inter-cell is jointly suppressed by the coordinated BSs. Accordingly, the coordination only involves CSI exchange and the need for sharing data is eliminated. To further reduce the coordination overhead, a third scheme is proposed, which only requires the knowledge of statistical inter-cell channels, at the cost of a slight increase on the transmission power. For all the proposed schemes, imperfect CSI is considered. We minimize the total transmission power in terms of probabilistic and deterministic optimizations. Explicitly, the former statistically satisfies the users' signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) while the latter guarantees the SINR requirements in the worst case CSI uncertainties. Simulation verifies that our schemes consume much lower power compared to the existing benchmarks, i.e., coordinated multi-point (CoMP) and coordinated-beamforming (CBF) systems, opening a new dimension on multi-cell coordination.

研究の動機と目的

• 密なハイブリッドネットワークにおけるセル間およびセル内干渉を性能制限要因として取り上げる。
• 従来の CoMP や CBF の限界を克服し、干渉を有用な信号エネルギーに変換する。
• データ共有を段階的に最小化することで協調のオーバーヘッドを低減しながら、CSIの不確実性下でも安定した性能を維持する。
• 不完全なCSI下での確率的および決定的ロバスト最適化により、総送信電力を最小化する。
• 完全な協調から統計的CSI交換まで、さまざまな協調レベルの手法を提案することで、実用的導入を可能にする。

提案手法

• Full-CI-Prob/Detを提案：CSIとデータを共有する完全な協調により、セル間およびセル内干渉を構築的に活用する。
• Partial-CI-Prob/Detを導入：CSI交換のみで協調を実現。セル内干渉を構築的に形成し、セル間干渉を抑制する。
• Stat-CIを開発：統計的セル間CSIのみを用い、データ共有のバックホールオーバーヘッドを完全に排除。わずかな電力増加を伴う。
• CSI推定誤差に対応するため、確率的および決定的ロバスト最適化を適用。SINR要件が満たされるように保証する。
• 干渉を意図した受信機で構築的に重畳する原理に基づくプレフィルミング設計を採用。
• 凸最適化技術を用いて、SINR制約およびCSI不確実性モデル下での電力最小化問題を解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチセル下行リンクシステムにおいて、セル間およびセル内干渉をノイズとして扱う代わりに、有用な信号エネルギーとして活用できるか？
• RQ2 協調のオーバーヘッドを低減しつつ、スペクトル効率およびエネルギー効率を維持または向上できるか？
• RQ3 干渉活用手法における性能向上と協調オーバーヘッドのトレードオフは何か？
• RQ4 不完全なCSI下で、信頼性のあるSINR性能を確保しつつ、ロバストな電力最小化を達成するにはどうすればよいか？
• RQ5 インstantaneous CSIの代わりに統計的CSIを用いることで、どの程度の性能向上が達成可能か？

主な発見

• Full-CI-Prob/Det手法は最低の送信電力を達成し、完全なCSIを前提とした従来のCoMPを上回る性能を示す。
• Partial-CI-Prob/Det手法は、5基のBSに対して協調オーバーヘッドを0.5 Kbまで低減しつつ、CBFベース手法を上回る電力効率を達成する。
• Stat-CI手法は、データ共有のバックホールオーバーヘッドをゼロに抑え、高い移動性やフロントハル制限環境においても実用的である。
• 確率的ロバスト最適化により、SINR要件が非常に高い確率（例：δ = 0.99）で満たされる一方、決定的最適化は最悪ケース性能を保証する。
• すべての提案手法は、マルチキャストに類似たプレフィルミング構造のおかげで計算複雑度が低く、高速収束を実現する。
• シミュレーション結果は、すべての手法がベンチマークのCoMPおよびCBFシステムと比較して顕著な電力節約を達成することを確認しており、特にCSIの不確実性下で顕著である。