[論文レビュー] Sequential and Incremental Precoder Design for Joint Transmission Network MIMO Systems with Imperfect Backhaul

Ming Ding, Jun Zou+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 23被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、不完全なバックハネルを有する共同送信ネットワークMIMOシステムに対して、参加確率に基づいてサービス対象および非サービス対象の基地局を優先順位付けして逐次的・段階的にプリコーディングを最適化する手法（SIP）を提案する。この手法は、実用的なバックハネル制約下で、特にバックハネル状態が悪化して一部の基地局が一時的に通信を停止する状況においても、自律的グローバルプリコーディング（AGP）に比べてBER性能が著しく優れている。

ABSTRACT

In this paper, we propose a sequential and incremental precoder design for downlink joint transmission (JT) network MIMO systems with imperfect backhaul links. The objective of our design is to minimize the maximum of the sub-stream mean square errors (MSE), which dominates the average bit error rate (BER) performance of the system. In the proposed scheme,we first optimize the precoder at the serving base station (BS), and then sequentially optimize the precoders of non-serving BSs in the JT set according to the descending order of their probabilities of participating in JT. The BS-wise sequential optimization process can improve the system performance when some BSs have to temporarily quit the JT operations because of poor instant backhaul conditions. Besides, the precoder of an additional BS is derived in an incremental way, i.e., the sequentially optimized precoders of previous BSs are fixed, thus the additional precoder plays an incremental part in the multi-BS JT operations. An iterative algorithm is designed to jointly optimize the sub-stream precoder and sub-stream power allocation for each additional BS in the proposed sequential and incremental optimization scheme. Simulations show that, under the practical backhaul link conditions, our scheme significantly outperforms the autonomous global precoding (AGP) scheme in terms of BER performance.

研究の動機と目的

• バックハネル回線に不具合が生じる場合や部分的な協調通信が発生する状況で、共同送信ネットワークMIMOシステムの性能劣化を是正すること。
• 一部の基地局がバックハネル制約のため一時的に共同送信から除外される場合に著しく劣化する自律的グローバルプリコーディング（AGP）の限界を克服すること。
• 変動するバックハネルの可用性に耐えうるスケーラブルで動的なプリコーディング最適化戦略を設計すること。
• 固定事前プリコーダーを用いて、最小限の性能損失で基地局をJT集合に段階的に追加可能とする仕組みを実現すること。
• 有限レートフィードバック条件下での評価を実施し、実世界のコードブックベースのフィードバックシステムを模擬する。

提案手法

• サービス対象の基地局のプリコーダーを最初に最適化し、その後、参加確率の高い順に非サービス対象の基地局を逐次的に最適化する。
• 新たな基地局が追加されるたびに、事前に最適化されたプリコーダーを固定することで、安定性と段階的利得を確保する。
• 各々の新規追加基地局に対して、部分ストリームプリコーダーと電力割り当てを同時に最適化する反復的アルゴリズムを採用する。
• 最適化は、最大部分ストリーム平均二乗誤差（MSE）を最小化することを目的とし、これがシステムのBER性能に直接影響を与える。
• 個々のユーザー受信機処理をモデル化するため、ウィーナー・フィルタをブロック対角行列に置き換えることで、マルチユーザー環境への拡張を実現する。
• シミュレーションでは、3GPP LTE-A規格を反映するようにd=4のコードブックベースのフィードバックを用い、現実的なフィードバック制約下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基地局が動的に送信集合に参加・離脱する場合、バックハネルが不完全な状況下で、共同送信ネットワークMIMOの性能はどの程度劣化するか？
• RQ2 バックハネル制限により一部の基地局が一時的に共同送信から除外される状況においても、逐次的・段階的プリコーディング設計が高精度を維持できるか？
• RQ3 有限レートフィードバックおよび実用的バックハネル条件下で、提案されたSIP方式は自律的グローバルプリコーディング（AGP）と比較して、BERおよびMSEの面でどの程度優れているか？
• RQ4 SIP方式におけるフィードバックの最適なコードブック次元（d）は何か？性能とフィードバックオーバーヘッドのバランスを最適化するには？
• RQ5 SIPフレームワークはマルチユーザー環境に拡張可能か？その場合、性能向上の恩恵を維持できるか？

主な発見

• SIP方式は、現実的なバックハネル条件下で、平均ビット誤り率（BER）においてAGP方式を著しく上回る性能を示した。
• d=4が性能とフィードバックオーバーヘッドの良好なトレードオフであると特定され、有限レートフィードバック下でも性能劣化が最小限に抑えられた。
• 最大部分ストリームMSEが効果的に最小化され、これがシステムBER性能の向上に直接寄与した。
• 段階的プリコーディング設計により、基地局が動的にJT集合に参加・離脱する状況でも、システムの安定性と性能が維持された。
• コードブックベースのフィードバック下でも、SIP方式は頑健性を示し、シミュレーション結果からBER劣化は管理可能であり、AGP方式に対する性能優位性が保持された。
• 提案手法はスケーラブルかつマルチUE環境に適応可能であるが、本研究ではマルチユーザー向けプリコーディング最適化の閉形式解は導出されていない。