[論文レビュー] Power Allocation for Multi-Pair Massive MIMO Two-Way AF Relaying with Linear Processing

Yongyu Dai, Xiaodai Dong|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、不完全なチャネル状態情報（CSI）を伴う多ペアマッシブMIMO双向リレー通信における最適な送信電力割り当て（OPA）方式を提案する。MRC/MRTまたはZFR/ZFTビームフォーミングを用い、漸近的OPA解を用いて、最適電力がMRC/MRT下で大規模フェージング係数の逆数に比例することを示す。エルゴディック可達レートの閉形式下限を導出し、幾何プログラミングを用いたOPAを定式化し、合計スペクトル効率を最大化する。

ABSTRACT

In this paper, we consider a multi-pair two-way amplify-and-forward relaying system where multiple sources exchange information via a relay node equipped with large-scale antenna arrays. Given that channel estimation is non-ideal, and that the relay employs either maximum-ratio combining/maximum-ratio transmission (MRC/MRT) or zero-forcing reception/zero-forcing transmission (ZFR/ZFT) beamforming, we derive two corresponding closed-form lower bound expressions for the ergodic achievable rate of each pair sources. The closed-form expressions enable us to design an optimal power allocation (OPA) scheme that maximizes the sum spectral efficiency under certain practical constraints. As the antenna array size tends to infinity and the signal to noise ratios become very large, asymptotically optimal power allocation schemes in simple closed-form are derived. The capacity lower bounds are verified to be accurate predictors of the system performance by simulations, and the proposed OPA outperforms equal power allocation (EPA). It is also found that in the asymptotic regime, when MRC/MRT is used at the relay and the link end-to-end large-scale fading factors among all pairs are equal, the optimal power allocated to a user is inverse to the large-scale fading factor of the channel from the user to the relay, while OPA approaches EPA when ZFR/ZFT is adopted.

研究の動機と目的

• マッシブMIMO双向AFリレー通信における不完全なCSIを伴う電力割り当て方式の不足を補うこと。
• MRC/MRTおよびZFR/ZFTビームフォーミング戦略の両方について、エルゴディック可達レートの閉形式下限を導出すること。
• 実用的制約下で合計スペクトル効率を最大化する最適電力割り当て（OPA）方式を設計すること。
• リレーのアンテナ数が無限大に近づく際の漸近的OPA挙動を分析すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いてレート下限の正確性と、OPAが等電力割り当て（EPA）に比べ優れていることを検証すること。

提案手法

• Wishartおよび逆Wishart行列の性質を用いて、統計的CSI（SCSI）に基づくエルゴディック可達レートの閉形式下限を導出する。
• 文献[16,17]の技術を応用し、有限のリレーアンテナ数下でのチャネル推定誤差およびビームフォーミングゲインをモデル化する。
• 電力制約およびサービス品質制約下で合計スペクトル効率を最大化するOPA問題を幾何プログラミング（GP）で解く。
• リレーのアンテナ数が無限大に近づく際の漸近的OPA解を閉形式で導出する。
• モンテカルロシミュレーションを用いてレート下限の妥当性を検証し、スペクトル効率の観点からOPAとEPAの性能を比較する。
• 不完全なCSIおよび非理想的なチャネル推定下でのMRC/MRTおよびZFR/ZFTビームフォーミング戦略を両方検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なCSIおよびMRC/MRTビームフォーミングを伴う多ペアマッシブMIMO双向AFリレー通信における、エルゴディック可達レートの閉形式下限は何か？
• RQ2 有限のリレーアンテナ数および不完全なCSIを伴うZFR/ZFTビームフォーミング下で、エルゴディック可達レートはどのように振る舞うか？
• RQ3 実用的制約下で合計スペクトル効率を最大化する最適な電力割り当て戦略は何か？
• RQ4 リレーのアンテナ数が無限大に近づく際、漸近的OPAはどのように振る舞うか？
• RQ5 異なるフェージング条件下で、スペクトル効率および公平性の観点からOPA方式は等電力割り当て（EPA）に比べてどのように異なるか？

主な発見

• 導出された閉形式エルゴディック可達レート下限は、モンテカルロシミュレーションにより実システム性能の良好な予測であることが検証された。
• 提案されたOPA方式は、すべてのシステム設定において合計スペクトル効率の観点で等電力割り当て（EPA）を上回った。
• MRC/MRTビームフォーミング下の漸近的領域では、最適電力がユーザーからリレーへの大規模フェージング係数の逆数に比例することが示された。
• ZFR/ZFTビームフォーミングが用いられた場合、OPA方式はEPAに近づき、チャネル変動に対する感受性が低下することが示された。
• リレーのアンテナ数が増加するにつれ、OPAは単純な閉形式解に収束し、低複雑度実装が可能になる。
• 幾何プログラミングに基づくOPAは、CVXなどの標準ツールを用いて効率的に解けるため、実用的かつ展開可能である。