[論文レビュー] Multicell Zero-Forcing and User Scheduling on the Downlink of a Linear Cell Array

H.J. Bang, David Gesbert|ArXiv.org|Nov 5, 2009

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、線形セルアレイの下行リンクにおいて、ユーザースケジューリングを伴うマルチセルゼロフォーリングビームフォーミング（ZFBF）を分析し、多数ユーザーの状態でもZFBFが単セル処理（SCP）よりも顕著に高い和スループットを達成することを示している。各基地局の電力制約下で最適なビームフォーミング重みとスケジューリング方針を導出し、SCPにおけるZFBFの性能を再現するために必要な各セルあたりのユーザー数が、ユーザー数に従って対数的に増加することを証明している。

ABSTRACT

Coordinated base station (BS) transmission has attracted much interest for its potential to increase the capacity of wireless networks. Yet at the same time, the achievable sum-rate with single-cell processing (SCP) scales optimally with the number of users under Rayleigh fading conditions. One may therefore ask if the value of BS coordination is limited in the many-user regime from a sum-rate perspective. With this in mind we consider multicell zero-forcing beamforming (ZFBF) on the downlink of a linear cell-array. We first identify the beamforming weights and the optimal scheduling policy under a per-base power constraint. We then compare the number of users m and n required per-cell to achieve the same mean SINR, after optimal scheduling, with SCP and ZFBF respectively. Specifically, we show that the ratio m/n grows logarithmically with n. Finally, we demonstrate that the gain in sum-rate between ZFBF and SCP is significant for all practical values of number of users.

研究の動機と目的

• 線形セルアレイの下行リンクにおけるマルチセルゼロフォーリングビームフォーミング（ZFBF）と単セル処理（SCP）の性能向上を評価すること。
• 各基地局の電力制約下で最適なビームフォーミング重みとユーザースケジューリング方針を特定すること。
• SCPとZFBFの下で同じ平均SINRを達成するために各セルに必要なユーザー数を定量化すること。
• SCPが多数ユーザーで最適スケーリングを達成できる場合でも、基地局（BS）間の協調が前漸近的多数ユーザー領域で顕著な和スループット向上をもたらすかどうかを評価すること。

提案手法

• 各ユーザーが最も近い2つの基地局（BS）によってサービス供給される線形セルアレイをモデル化し、送信機に完全なチャネル状態情報が存在すると仮定する。
• 各基地局の電力制約下でゼロフォーリング条件を満たすビームフォーミング重みを導出し、セル間干渉を完全に除去することを保証する。
• 極値理論（EVT）を用いて、ユーザー数の増加に伴うスケジューリング後のSINRの漸近的挙動を特徴付ける。
• 順序統計とCDFベースの解析を用いて、$ n $人のユーザーのランダムサンプルから得られる最大SINRの分布をモデル化する。
• 解析的取り扱いを可能にするために、有効SINR分布の区分的累積分布関数（CDF）を構築する。
• 期待SINRの上界と下界を導出し、ユーザー数比の漸近的スケーリングを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多数ユーザー領域において、マルチセルZFBFの和スループット性能はSCPに比べてどのように異なるか？
• RQ2 SCPがZFBFの平均SINRを再現するために各セルに必要なユーザー数の最小値は何か？
• RQ3 SCPで必要となるユーザー数$ m $とZFBFで必要なユーザー数$ n $の比$ m/n $は、$ n $に従ってどのようにスケーリングされるか？
• RQ4 実用的なユーザー数の値において、ZFBFとSCPの和スループット向上はどの程度か？
• RQ5 SCPが多数ユーザーで最適スケーリングを達成できる場合でも、基地局間協調が顕著な性能向上をもたらすか？

主な発見

• ZFBFの平均SINRをSCPが再現するために必要な各セルあたりの追加ユーザー数を表す比$ m/n $は、ZFBFにおけるユーザー数$ n $に従って対数的に増加する。
• SCPが多数ユーザーで最適スケーリングを達成できるとしても、実用的なユーザー数のすべての値において、ZFBFとSCPの間の和スループット向上は顕著である。
• 各基地局の電力制約下で、ゼロフォーリング条件を満たし、セル間干渉を最小化する最適なビームフォーミング重みが明示的に導出された。
• ZFBFにおけるスケジューリング後のSINRは、$ \log_2(1 + \rho \ln n) $のスケーリングを示す。ここで$ \rho $はSNR、$ n $は各セルあたりのユーザー数である。
• 解析により、ZFBFとSCPの間の性能ギャップがユーザー数の増加に伴って縮小しないことが確認された。これは漸近的期待とは対照的である。
• ZFBFにおける期待SINRは、$ n $に関して対数的に増加する関数によって下界で抑えられ、$ n $が大きい場合には導出された境界がきわめてタイトである。