[論文レビュー] Opportunistic Interference Mitigation Achieves Optimal Degrees-of-Freedom in Cellular Networks

Bang Chul Jung, Dohyung Park+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ユーザースケジューリングを用いて隣接セル間干渉を最小化するための機会的干渉低減（OIM）方式を、Kセルのセルラーネットワークに対して提案する。Mユーザーを1セルあたり採用する機会的干渉ナリング（OIN）を用いることで、グローバルなチャネル状態情報や時間／周波数拡張を必要とせずに、KMの自由度（DoFs）を達成する。これは、DoF最適性であることが示されている。

ABSTRACT

We introduce an opportunistic interference mitigation (OIM) for cellular networks, where a user scheduling strategy is utilized in uplink K-cell environments with time-invariant channel coefficients and base stations (BSs) having M receive antennas. In the OIM scheme, each BS opportunistically selects a set of users who generate the minimum interference to the other BSs. We consider two OIM protocols according to the number S of simultaneously transmitting users per cell: an opportunistic interference nulling (OIN) and an opportunistic interference alignment (OIA). Then, their performance is analyzed in terms of degrees-of-freedom (DoFs). It is shown that KM DoFs are achievable under the OIN protocol with M selected users per cell, while the OIA scheme with S selected users (smaller than M ) achieves KS DoFs. Assuming that N denotes the total number of users in a cell, we also analyze the scaling condition between system parameters K , M , N , S, and the received signal-to-noise ratio such that our achievability result holds. It is investigated that there exists a trade-off between the achievable number of DoFs and the parameter N based on the two proposed schemes. Furthermore, by deriving the corresponding upper bound on the DoFs, it is shown that the OIN scheme is DoF-optimal. Finally, numerical evaluation is performed; a two-step scheduling strategy, in which a logarithmic gain can further be obtained, is shown; and our achievability result is extended to multi-carrier systems. Note that the proposed OIM schemes do not require the global channel state information and time/frequency expansion, thereby resulting in easier implementation. Index Terms Base station (BS), channel state information, cellular network, degrees-of-freedom (DoFs), interference, opportunistic interference alignment (OIA), opportunistic interference mitigation (OIM), opportunistic interference nulling (OIN), user scheduling. *: Corresponding author. B. C. Jung was with KAIST Institute for Information Technology Convergence, Daejeon 305-701, Republic of Korea. He is now with the Department of Information and Communication Engineering, Gyeongsang National University, Tongyeong 650-160, Republic of Korea (E-mail: [e-mail]). D. Park is with SAIT, Samsung Electronics Co., Ltd., Yongin 446-712, Republic of Korea (E-mail: [e-mail]). W.-Y. Shin is with the School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, MA 02138 USA (Email:[e-mail]). SUBMITTED TO IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY 2

研究の動機と目的

• 時間不変チャネルと複数アンテナを備えた基地局を有するKセルのセルラーネットワークにおける上行リンク干渉を扱う。
• グローバルなチャネル状態情報や時間／周波数拡張を必要としない実用的な干渉低減戦略を設計する。
• さまざまなユーザースケジューリングプロトコルおよびシステムパラメータ下での達成可能な自由度（DoFs）を同定する。
• 自由度の上界を導出し、それを達成可能なレートと比較することで、提案方式の最適性を確立する。

提案手法

• 各基地局が他のセルに最小限の干渉を引き起こすユーザーを選択する、機会的干渉低減（OIM）フレームワークを提案する。
• 2つのプロトコルを導入する：1セルあたりMユーザーの機会的干渉ナリング（OIN）と、S < Mユーザーの機会的干渉整合（OIA）。
• OINおよびOIA下での自由度性能を分析し、達成可能性に必要なK、M、N、S、およびSNR間のスケーリング条件を導出する。
• 自由度の上界を導出し、OINが理論的上限に達していることから、自由度最適性を立証する。
• 実装における対数的利得を向上させるための2段階スケジューリング戦略を導入する。
• OIMフレームワークをマルチキャリアシステムに拡張し、スケーラビリティを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルなCSIを必要とせず、Kセル上行リンクネットワークで自由度最適性に達するユーザースケジューリングに基づく干渉低減方式は可能か？
• RQ2 OIMプロトコル下で、1セルあたりのユーザー数Nと達成可能な自由度（DoFs）との間にはどのようなトレードオフがあるか？
• RQ3 OINおよびOIA方式は、自由度性能およびシステムパラメータのスケーリングにおいて、どのように比較されるか？
• RQ4 OIN方式は自由度最適か？自由度の上界を導出し、それを証明できるか？
• RQ5 OIMフレームワークはマルチキャリアシステムに拡張可能か？その際、自由度最適性は維持されるか？

主な発見

• 1セルあたりMユーザーを用いるOINプロトコルは、KMの自由度（DoFs）を達成する。これは理論的自由度上界と一致しており、自由度最適性が裏付けられる。
• S < Mユーザーを1セルあたり用いるOIAプロトコルは、KSの自由度（DoFs）を達成する。これは、ユーザー負荷と自由度利得のトレードオフを示している。
• OIN下でのKM自由度の達成は、K、M、N、S、および受信SNRを含む特定のスケーリング条件下で成立する。
• 提案されたOIM方式は、グローバルなチャネル状態情報や時間／周波数拡張を必要とせず、実装が容易である。
• 数値的評価により、2段階スケジューリング戦略が追加の対数的利得を提供することが確認された。
• OIMフレームワークはマルチキャリアシステムに成功裏に拡張され、自由度最適性が保持された。