[論文レビュー] Multiuser MIMO Downlink Beamforming with Average SINR Constraints

Yuhan Yang, Shih‐Chun Lin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、グループ最大SINRフィルターバンク（GSINR-FB）ビームフォーマーを用いた、マルチユーザMIMOダウンリンクシステムにおける効率的な同時送信・受信ビームフォーミングおよび電力割り当てアルゴリズムを提案する。ユーザー受信機のダイバーシティを活用し、平均SINR制約を課すことにより、複雑な電力割り当て問題を線形問題に変換し、従来の手法と同等の複雑さで優れた性能を達成する。

ABSTRACT

In this paper we aim to solve the multiuser multi-input multi-output (MIMO) downlink beamforming problem where one multi-antenna base station broadcasts data to many users. Each user is assigned multiple data streams and has multiple antennas at its receiver. Efficient solutions to the joint transmit-receive beamforming and power allocation problem based on iterative methods are proposed. We adopt the group maximum signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) filter bank (GSINR-FB) as our beamformer which exploits receiver diversity through cooperation between the data streams of a user. The data streams for each user are subject to an average SINR constraint, which has many important applications in wireless communication systems and serves as a good metric to measure the quality of service (QoS). The GSINR-FB also optimizes the average SINR of its output. Based on the GSINR-FB beamformer, we find an SINR balancing structure for optimal power allocation which simplifies the complicated power allocation problem to a linear one. Simulation results verify the superiority of the proposed algorithms over previous works with approximately the same complexity.

研究の動機と目的

• 複数アンテナを備えたユーザーを有するマルチユーザMIMOダウンリンクシステムにおける、同時送信・受信ビームフォーミングおよび電力割り当て問題を解決すること。
• 実用的な無線システムにおけるサービス品質（QoS）を保証する上で重要な、各ユーザーごとの平均SINR制約を満たすこと。
• グループビームフォーミング構造を用いることで、1ユーザーあたりの複数データストリーム間の協調を可能にし、受信機ダイバーシティを活用すること。
• 非凸な電力割り当て問題を線形最適化問題に還元するSINRバランス構造を導出することにより、本質的に複雑な電力割り当て問題を単純化すること。

提案手法

• 基地局のビームフォーミングベクトルと各ユーザー受信機での結合ベクトルを同時に最適化するため、グループ最大SINRフィルターバンク（GSINR-FB）ビームフォーマーを採用する。
• 各ユーザーのデータストリームをグループとしてモデル化し、共同処理によって干渉除去とダイバーシティ効果を実現する。
• サービス品質（QoS）指標として、各ユーザーごとの平均SINR制約を課し、信頼性の高い伝送を確保する。
• 非凸な電力割り当て問題を線形問題に還元できるSINRバランス構造を導出し、最適化を簡素化する。
• 導出された制約下で、ビームフォーマーと電力割り当てを同時に最適化する反復的アルゴリズムを用いる。
• GSINR-FBを用いてユーザー受信機出力の平均SINRを最大化し、スルーレット効率と信頼性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数アンテナユーザーを有するマルチユーザMIMOダウンリンクシステムにおいて、効率的に同時送信・受信ビームフォーミングおよび電力割り当てを最適化する方法は何か？
• RQ2 どのようなビームフォーミング構造が、平均SINR制約を満たしつつ、受信機ダイバーシティを効果的に活用できるか？
• RQ3 平均SINR制約下で、本質的に複雑な非凸な電力割り当て問題を扱いやすい線形形式に簡略化できるか？
• RQ4 提案されたGSINR-FBビームフォーマーは、同等の計算複雑度を持つ既存手法と比較して、性能面でどのように差をつけるか？

主な発見

• 提案されたGSINR-FBビームフォーミング手法は、1ユーザーあたりの複数データストリーム間の協調を可能にすることで、受信機ダイバーシティを効果的に活用している。
• SINRバランス構造により、複雑な電力割り当て問題が線形最適化問題に成功して変換され、計算の簡素化が顕著に達成された。
• シミュレーション結果から、提案アルゴリズムが従来手法を上回るシステム性能を達成していることが示され、計算複雑度はほぼ同等を維持している。
• 平均SINR制約が効果的に満たされており、ネットワーク全体のすべてのユーザーに対して一貫したサービス品質が確保されている。