[論文レビュー] On the Optimal Number of Cooperative Base Stations in Network MIMO Systems

Jakob Hoydis, Mari Kobayashi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 36被引用数 22

ひとこと要約

この論文は、周波数選択的上行リンクマルチセルネットワークMIMOシステムにおいて、性能向上とトレーニング／フィードバックのオーバーヘッドのトレードオフを、協調する基 station (BS) の数、トレーニング長、サブキャリア割り当てを最適化することによって調査する。ランダム行列理論の近似を用いて、路損失の差異や信頼性の低いバックハネルを含む現実的な条件下での最適構成を導出し、ネット有効スルーレートを最大化する非自明な最適BS数が存在することを示している。

ABSTRACT

We consider a multi-cell, frequency-selective fading, uplink channel (network MIMO) where K user terminals (UTs) communicate simultaneously with B cooperative base stations (BSs). Although the potential benefit of multi-cell cooperation grows with B, the overhead related to the acquisition of channel state information (CSI) will rapidly dominate the uplink resource. Thus, there exists a non-trivial tradeoff between the performance gains of network MIMO and the related overhead in channel estimation for a finite coherence time. Using a close approximation of the net ergodic achievable rate based on recent results from random matrix theory, we study this tradeoff by taking some realistic aspects into account such as unreliable backhaul links and different path losses between the UTs and BSs. We determine the optimal training length, the optimal number of cooperative BSs and the optimal number of sub-carriers to be used for an extended version of the circular Wyner model where each UT can communicate with B BSs. Our results provide some insight into practical limitations as well as realistic dimensions of network MIMO systems.

研究の動機と目的

• マルチセルで周波数選択的な上行リンクネットワークMIMOシステムにおける協調BSの最適数を特定すること。
• 協調によるスペクトル効率の向上と、チャネル状態情報（CSI）トレーニングおよびフィードバックによるオーバーヘッドのトレードオフを分析すること。
• ユーザーとBS間の路損失の非対称性や信頼性の低いバックハネルリンクといった現実的なシステム制約を考慮すること。
• トレーニング長、サブキャリア数、協調BS数を同時に最適化して、ネット有効スルーレートを最大化すること。
• 有限のコherenct timeを想定したネットワークMIMOシステムの実用的設計指針を提供すること。

提案手法

• 各ユーザー端末（UT）がB個のBSに接続可能であり、マルチセル協調を可能にする修正版円形ワイナーモデルを用いる。
• 最近のランダム行列理論の結果を応用して、ネット有効スルーレートの良好な解析的近似を導出する。
• UTとBS間の変動する路損失やバックハネルの信頼性制約といった現実的なシステムパラメータを組み込む。
• トレーニングフェーズを、BS数とサブキャリア数に比例する有限のトレーニングオーバーヘッドでモデル化する。
• トレーニング長、サブキャリア数、協調BS数を同時に調整することで、ネットレートを最大化するようにシステムを最適化する。
• ネットレート最大化基準における最適トレーニング長および最適BS数の閉形式式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限のコherenct timeを持つネットワークMIMOシステムにおいて、ネット有効スルーレートを最大化する協調BSの最適数は何か？
• RQ2 トレーニングオーバーヘッドは協調BS数にどのように依存するか？また、CSIの正確さとスペクトル効率のバランスを取る最適トレーニング長は何か？
• RQ3 ユーザーとBS間の路損失差が、協調BSの最適数およびシステム性能に与える影響は何か？
• RQ4 信頼性の低いバックハネルリンクは、ネットワークMIMOシステムの最適構成にどのような影響を与えるか？
• RQ5 トレーニングオーバーヘッドと組み合わせた場合、協調BS数と併せてサブキャリア数をどのように選択すればネットレートを最大化できるか？

主な発見

• 全利用可能BSを用いるのではなく、ネット有効スルーレートを最大化する非自明な最適協調BS数が存在する。
• 最適トレーニング長は完全なコherenct timeよりも著しく短く、BS数とサブキャリア数に依存する。
• ユーザーとBS間の路損失の非対称性は、協調による性能向上を低下させ、とくに遠距離のBSを含めた場合に顕著である。
• 信頼性の低いバックハネルリンクは、協調BS数を増加させた場合の利点を制限し、理想的なバックハネル環境と比較して最適BS数が小さくなる。
• トレーニング長、サブキャリア数、協調BS数を共同で最適化することで、固定または部分最適な設定と比較して顕著なネットレート向上が得られる。
• 導出された最適構成は、現実のシステムの不確実性に強く、ネットワークMIMO導入の実用的設計インサイトを提供する。