[論文レビュー] On Achievability for Downlink Cloud Radio Access Networks with Base Station Cooperation

Chien-Yi Wang, Michèle Wigger+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2016

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、レート制限付きのコンファレンスリンクを介した基地局（BS）協調通信を実現するダウンリンククラウド無線アクセスネットワーク（C-RAN）に対して、一般化データ共有（G-DS）および一般化圧縮（G-Compression）の2つの新規符号化方式を提案する。先行研究における多次元カバーイング補題の誤った適用を是正し、Liu–Kangの方式を共通符号語を用いたBS協調通信に拡張するとともに、元来離散的かつ記憶なしのチャネルに特化した圧縮方式を一般化し、一般化された離散的かつ記憶なしのチャネルに適用可能にする。主な貢献は、ガウス状態においてカットセット外側境界から定数ギャップの範囲内に収まる新しい内部境界を確立したことである。具体的には、1次元あたり $ min\left\{\frac{L+N}{2}, \frac{L+L\log N}{2}\right\}$ ビットのギャップを達成する。

ABSTRACT

This work investigates the downlink of a cloud radio access network (C-RAN) in which a central processor communicates with two mobile users through two base stations (BSs). The BSs act as relay nodes and cooperate with each other through error-free rate-limited links. We develop and analyze two coding schemes for this scenario. The first coding scheme is based on Liu-Kang scheme for C-RANs without BS cooperation; and extends it to scenarios allowing conferencing between the BSs. Among few other features, our new coding scheme enables arbitrary correlation among the auxiliary codewords that are recovered by the BSs. It also introduces common codewords to be described to both BSs. For the analysis of this coding scheme, we extend the multivariate covering lemma to non-Cartesian product sets, thereby correcting an erroneous application of this lemma in Liu-Kang's related work. We highlight key aspects of this scheme by studying three important instances of it. The second coding scheme extends the so-called compression scheme that was originally developed for memoryless Gaussian C-RANs without BS cooperation to general discrete memoryless C-RANs with BS cooperation. We show that this scheme subsumes the original compression scheme when applied to memoryless Gaussian C-RAN models. In the analysis of this scheme, we also highlight important connections with the so-called distributed decode--forward scheme, and refine the approximate capacity of a general $N$-BS $L$-user C-RAN model in the memoryless Gaussian case.

研究の動機と目的

• Liu–Kangのデータ共有方式における、BS協調通信なしのC-RANで見られる誤った多次元カバーイング補題の適用による誤った達成可能証明を是正すること。
• Liu–Kang方式をコンファレンスリンクを介した基地局協調通信に拡張し、両方の基地局で復元可能な共通符号語を導入すること。
• 元来記憶なしのガウスC-RANに特化した圧縮方式を、基地局協調通信を考慮した一般離散的かつ記憶なしのチャネルに一般化すること。
• 基地局協調通信を伴う $N$ 基地局 $L$ ユーザC-RANモデルに対して新しい内部境界を確立し、ガウス状態における近似容量を精緻化すること。
• 分散型デコード・フォワード（DDF）方式が提案されたG-Compression方式を包含し、カットセット外側境界から定数ギャップの近似を達成できることを示すこと。

提案手法

• 一般化データ共有（G-DS）方式を提案。Liu–Kang方式を拡張し、両基地局で復元可能な共通符号語 $U_0^n, V_0^n$ を導入することで、補助符号語間の任意の相関を実現可能にする。
• 多次元カバーイング補題を直積集合でない集合へ拡張することで、誤った適用を是正した正当な達成可能証明を提示する。
• 一般化圧縮（G-Compression）方式を提案。Parkらの圧縮方式を、基地局協調通信を伴う離散的かつ記憶なしのチャネルに一般化し、共同圧縮とコンファレンスを統合可能にする。
• G-Compression方式を分散型デコード・フォワード（DDF）方式と関連付ける分析を実施。ガウス状態においてDDFがG-Compressionを包含することを示す。
• 基地局協調通信を伴う $N$ 基地局 $L$ ユーザC-RANに対する内部境界を導出し、行列行列式の不等式および固有値の境界を用いてカットセット外側境界と比較する。
• Sylvesterの行列式恒等式およびHadamardの不等式を用い、カットセット境界を緩和し、内部境界と比較することで、定数ギャップ近似を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Liu–Kangのデータ共有方式は、コンファレンスリンクを介した基地局協調通信を統合するために、どのように是正され、拡張可能か？
• RQ2 ガウスC-RAN向けに開発された圧縮方式は、基地局協調通信を考慮した離散的かつ記憶なしのチャネルに一般化可能か？
• RQ3 基地局協調通信を伴うC-RANの文脈において、提案されたG-Compression方式と分散型デコード・フォワード（DDF）方式の関係は何か？
• RQ4 基地局協調通信を伴うガウスC-RANモデルにおいて、提案された内部境界は、カットセット外側境界からどの程度近いのか？
• RQ5 ユーザ数および基地局数の観点から、達成可能なレート領域と容量領域とのギャップはどの程度か？

主な発見

• G-DS方式は、Liu–Kangの元々の研究における多次元カバーイング補題の誤った適用を是正し、補題を直積集合でない集合へ拡張することで、正当な達成可能証明を可能にする。
• G-DS方式は、両基地局で復元可能な共通符号語 $U_0^n, V_0^n$ を導入し、補助符号語間の任意の相関を実現可能にし、協調通信の利得を向上させる。
• G-Compression方式は、元来の圧縮方式を離散的かつ記憶なしのチャネルに一般化し、記憶なしのガウスC-RANに適用した場合にその包含関係を示す。
• 分散型デコード・フォワード（DDF）方式がガウス状態においてG-Compression方式を包含することが示され、両手法の強い関連性が確立される。
• 提案された内部境界は、基地局協調通信を伴うガウス状態の $N$ 基地局 $L$ ユーザC-RANモデルにおいて、カットセット外側境界から $ \min\left\{\frac{L+N}{2}, \frac{L+L\log N}{2}\right\}$ ビット/次元のギャップを達成する。
• ギャップはチャネル利得、送信電力、SNRに依存せず定数であり、容量に対する定数ギャップ近似が確立される。