[論文レビュー] Power Allocation Schemes for Multicell Massive MIMO Systems

Qi Zhang, Shi Jin+3 more|Research Portal (Queen's University Belfast)|Jun 10, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、干渉しないセルが独立に送信電力を最適化できるスケジューリングに基づくアプローチを用いて、マルチセルマッシブMIMOシステムにおける低複雑性の電力割当スキームを提案する。ゼロフォーリング予めき方式を用いた上行リンクおよび下行リンクレートの閉形式表現を導出しており、等電力割当と比較して顕著なsum-rate向上を示している。特に実用的なアンテナ構成（例：M ≈ 100–200）では大きな利得を示すが、固定されたNに対してM→∞に近づくと利得は減少する。本スキームは、共同最適化と比較して著しく低い複雑性でほぼ最適性能を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates the sum-rate gains brought by power allocation strategies in multicell massive multipleinput multiple-output systems, assuming time-division duplex transmission. For both uplink and downlink, we derive tractable expressions for the achievable rate with zero-forcing receivers and precoders respectively. To avoid high complexity joint optimization across the network, we propose a scheduling mechanism for power allocation, where in a single time slot, only cells that do not interfere with each other adjust their transmit powers. Based on this, corresponding transmit power allocation strategies are derived, aimed at maximizing the sum rate per-cell. These schemes are shown to bring considerable gains over equal power allocation for practical antenna configurations (e.g., up to a few hundred). However, with fixed number of users (N), these gains diminish as M turns to infinity, and equal power allocation becomes optimal. A different conclusion is drawn for the case where both M and N grow large together, in which case: (i) improved rates are achieved as M grows with fixed M/N ratio, and (ii) the relative gains over the equal power allocation diminish as M/N grows. Moreover, we also provide applicable values of M/N under an acceptable power allocation gain threshold, which can be used as to determine when the proposed power allocation schemes yield appreciable gains, and when they do not. From the network point of view, the proposed scheduling approach can achieve almost the same performance as the joint power allocation after one scheduling round, with much reduced complexity.

研究の動機と目的

• マルチセルマッシブMIMOシステムにおける共同電力割当の高複雑性に対処すること。
• 最小限のシグナリングおよび計算オーバーヘッドでsum-rateを最大化する実用的な電力割当戦略を開発すること。
• 基地局アンテナ数（M）およびユーザー数（N）の変動に応じて、最適化された電力割当と等電力割当との間の性能向上を特定すること。
• MとNが同時に増加する漸近的状態において、電力割当が顕著な利得をもたらす条件を同定すること。

提案手法

• 干渉しないセルのみが1回の時隙内で電力を調整するスケジューリングメカニズムを導入し、協調の複雑性を低減する。
• ゼロフォーリング受信下での上行リンク実現可能レートについて、取り扱いやすい下界、上界、および近似式を導出する。
• ゼロフォーリング予めき方式を用いた下行リンクレートのきつい下界を提案し、効率的な最適化を可能にする。
• スケジューリング制約下で各セルのsum-rateを最大化する閉形式の電力割当ポリシーを導出する。
• 大システム解析を用いて、M→∞およびM/N→一定の漸近的挙動を検討し、ランダム行列理論を活用する。
• ジェンセンの不等式およびほとんど確実収束を用いて、レート式のきつい近似を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロフォーリング処理を用いたマルチセルマッシブMIMOにおいて、最適化された電力割当と等電力割当との間で、実現可能なsum-rate向上はどの程度か？
• RQ2 ユーザー数（N）を固定した場合、基地局アンテナ数（M）を増加させた際に、電力割当の性能向上はどのように変化するか？
• RQ3 M/N比が電力割当の相対的利得に与える影響は何か。特にMとNが同時に大きく成長する漸近的状態においては？
• RQ4 低複雑性のスケジューリングに基づく電力割当スキームは、共同最適化に近い性能を達成できるか？
• RQ5 M/N比がどの程度になると、電力割当の利得が無視できるほど小さくなり、この閾値をシステム設計にどのように応用できるか？

主な発見

• 固定されたNに対して、M→∞に近づくと、最適化された電力割当によるsum-rate向上は減少し、漸近的極限では等電力割当が最適となる。
• MとNが固定されたM/N比で同時に増加する場合、Mを増加させることでスペクトル効率が向上するが、M/N比が増加するにつれて、等電力割当との相対的利得は減少する。
• 提案されたスケジューリングに基づく電力割当は、1回のスケジューリングラウンド後に共同最適化とほぼ同じsum-rateを達成するが、複雑性は著しく低減される。
• 実用的なM（例：M ≈ 100–200）では、等電力割当と比較して最大数倍のレート向上が観察される。
• 本稿では、電力割当が顕著な利得をもたらすM/Nの定量的閾値を提示しており、システム設計者がこのようなスキームが有益であるかどうかを判断する手がかりを提供する。
• 導出された下行リンクレートの下界が極めてきついことが示され、正確な性能評価および最適化が可能となる。