[論文レビュー] Non-linear and Linear Broadcasting with QoS Requirements: Tractable Approaches for Bounded Channel Uncertainties

Michael Botros Shenouda, Timothy N. Davidson|ArXiv.org|Dec 11, 2007

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、有界なチャネル不確実性下での品質保証（QoS）制約を満たす、統一的かつ取り扱いやすいフレームワークを、無線セルラーシステムにおける下りリンクブロードキャストのロバストな線形および非線形設計に提案する。QoSを平均二乗誤差（MSE）制約としてモデル化することで、保守的な過剰バウンディングを伴わず、すべての不確実なチャネル状態において性能を保証する凸な半定値計画問題（SDP）を定式化し、従来のSINRベースの手法よりも低い消費電力とより広いQoSサポートを実現する。

ABSTRACT

We consider the downlink of a cellular system in which the base station employs multiple transmit antennas, each receiver has a single antenna, and the users specify. We consider communication schemes in which the users have certain Quality of Service (QoS) requirements. We study the design of robust broadcasting schemes that minimize the transmission power necessary to guarantee that the QoS requirements are satisfied for all channels within bounded uncertainty regions around the transmitter's estimate of each user's channel. Each user's QoS requirement is formulated as a constraint on the mean square error (MSE) in its received signal, and we show that these MSE constraints imply constraints on the received SINR. Using the MSE constraints, we present a unified design approach for robust linear and non-linear transceivers with QoS requirements. The proposed designs overcome the limitations of existing approaches that provide conservative designs or are only applicable to the case of linear precoding. Furthermore, we provide computationally-efficient design formulations for a rather general model of channel uncertainty that subsumes many natural choices for the uncertainty region. We also consider the problem of the robust counterpart to precoding schemes that maximize the fidelity of the weakest user's signal subject to a power constraint. For this problem, we provide quasi-convex formulations, for both linear and non-linear transceivers, that can be efficiently solved using a one-dimensional bisection search. Our numerical results demonstrate that in the presence of CSI uncertainty, the proposed designs provide guarantees for a larger range of QoS requirements than the existing approaches, and consume require less transmission power in providing these guarantees.

研究の動機と目的

• 既存のロバストプレフィンギング設計の限界（過剰な保守性や線形プレフィンギングに限定される点）を是正すること。
• 有界なチャネル不確実性下でのロバストな線形および非線形受信機設計の統一的フレームワークを提供すること。
• 不確実性領域内に存在するすべてのチャネルに対して、可能な限り制約領域を拡張せずにQoS要件を満たすこと。
• 一般のチャネル不確実性モデルに対応可能な、計算効率が良く、凸な定式化（半定値計画問題）を構築すること。
• 不確実性下での送信電力の要件および達成可能なQoS領域の観点から、性能の向上を示すこと。

提案手法

• 各ユーザーの受信信号に対する平均二乗誤差（MSE）に関する制約として、QoS要件をモデル化する。
• MSEの上限から、受信SINR（信号対インターフェアレンス＋ノイズ比）に関する同等の制約を導出する。
• 真のチャネルが推定チャネルの周囲にある凸集合内に存在するという、有界な不確実性モデルを用いる。
• 2次錐プログラミング（SOCP）リラクゼーションに基づくロバスト最適化技術を用いて、ロバスト設計問題を凸な半定値計画問題（SDP）に変換する。
• 量子化フィードバックに起因する多くの実用的不確実性集合を包含する一般化された不確実性領域モデルを適用する。
• 1次元の二分探索を用いた準凸定式化により、公平プレフィンギング問題を効率的に解けるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有界なチャネル不確実性下で、線形および非線形プレフィンギングの両方を統一的に扱うロバスト設計フレームワークを構築できるか？
• RQ2 線形および非線形方式の両方において、最適化が取り扱いやすい形でQoS要件をモデル化する方法は何か？
• RQ3 提案されたMSEベースの定式化は、従来のSINRベースのロバスト設計の保守的過剰バウンディングを回避できるか、かつ不確実性集合を拡大せずに実現できるか？
• RQ4 提案されたロバスト設計の計算複雑度は、従来の手法と比較してどの程度で、効率的に解けるか？
• RQ5 チャネル不確実性下で、提案手法は従来のロバストプレフィンギング技術と比較して、性能（電力効率およびQoSサポート）で優れているか？

主な発見

• 提案されたMSEベースのロバスト設計は、不確実性集合の保守的過剰バウンディングに依存する従来のSINRベースの設計よりも低い送信電力を達成する。
• 本手法は、線形および非線形プレフィンギング（トミリンソン＝ハラシマプレフィンギングを含む）を統一フレームワークでサポートする。
• 設計定式化は凸な半定値計画問題（SDP）であるため、効率的かつグローバル最適解が得られる。
• 本手法は、有界な不確実性領域内に存在するすべてのチャネルに対してQoS満足を保証し、制約領域の拡大を必要としない。
• 数値結果により、本手法は従来手法と比較して、不確実性下でもより広いQoS要件のセットをサポートできることを示している。
• 公平プレフィンギング問題に関しては、1次元の二分探索により解ける準凸定式化が得られ、計算効率が保証されている。