[論文レビュー] Spatial Degrees of Freedom of the Multicell MIMO Multiple Access Channel

Taejoon Kim, David J. Love+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、1セルあたりKユーザー、L > 1セルのマルチセルMIMO複数アクセスチャネルにおける空間自由度（DoF）のタイトな外部バウンドを導出しており、DoFがユーザー数およびアンテナ構成によって制限されることを確立している。L=2の場合に、DoF外部バウンドを達成する2つのスケーム—ゼロフォーシングおよびヌル空間干渉整合化—を提案し、特定のMおよびN構成下でDoFがmin(KM, KN)に比例してスケーリングされることを示し、2セル環境における最適性を証明している。

ABSTRACT

We consider a homogeneous multiple cellular scenario with multiple users per cell, i.e., $K\geq 1$ where $K$ denotes the number of users in a cell. In this scenario, a degrees of freedom outer bound as well as an achievable scheme that attains the degrees of freedom outer bound of the multicell multiple access channel (MAC) with constant channel coefficients are investigated. The users have $M$ antennas, and the base stations are equipped with $N$ antennas. The found outer bound is general in that it characterizes a degrees of freedom upper bound for $K\geq 1$ and $L>1$ where $L$ denotes the number of cells. The achievability of the degrees of freedom outer bound is studied for two cell case (i.e., L=2). The achievable schemes that attains the degrees of freedom outer bound for L=2 are based on two approaches. The first scheme is a simple zero forcing with $M=Kβ+β$ and $N=Kβ$, and the second approach is null space interference alignment with $M=Kβ$ and $N=Kβ+β$ where $β>0$ is a positive integer.

研究の動機と目的

• 1セルあたりK ≥ 1ユーザーおよびL > 1セルを有するマルチセルMIMO複数アクセスチャネルにおける空間自由度（DoF）の一般外部バウンドを確立すること。
• 定常チャネル係数下でのDoF領域を分析し、チャネル変動に依存しないタイトな上界を導出すること。
• 2セルケース（L=2）において、DoF外部バウンドを達成する2つの送信スケーム—ゼロフォーシングおよびヌル空間干渉整合化—を提案・分析すること。
• ユーザー数K、および基地局／ユーザーのアンテナ数MおよびNの観点から、DoFのスケーリング則を特定すること。

提案手法

• 情報理論的議論および信号空間次元制約に基づき、任意のK ≥ 1およびL > 1に対して有効なDoF外部バウンドを導出する。
• M = Kβ + βおよびN = Kβ（ある正の整数βに対して）を満たすゼロフォーシングスケームを提案し、セル間干渉を消去する。
• M = KβおよびN = Kβ + βを満たすヌル空間干渉整合化スケームを導入し、基地局で干渉をヌル空間に整合化する。
• 両スケームのDoF性能を分析し、L=2の場合に導出された外部バウンドを達成することを証明する。
• 信号整合化および干渉キャンセレーション技術を用いて、マルチセル環境における空間 multiplexing ゲインを最大化する。
• 理論的分析および既知のMIMO DoF限界との比較を通じて、DoF利得を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1セルあたりKユーザーおよびL > 1セルを有するマルチセルMIMO複数アクセスチャネルにおける最大達成可能な空間自由度は何か？
• RQ2 干渉管理技術は2セル環境において導出されたDoF外部バウンドに到達可能か？
• RQ3 ユーザーおよび基地局のアンテナ構成（MおよびN）は、マルチセルMIMOシステムにおけるDoFスケーリングにどのように影響するか？
• RQ4 DoFを最大化する目的で、ゼロフォーシングと干渉整合化のうち、より最適な送信戦略は何か？

主な発見

• DoF外部バウンドはタイトかつ一般的であり、任意のK ≥ 1およびL > 1に適用可能であり、空間多重性ゲインの根本的限界を確立している。
• L=2の場合、M = Kβ + βおよびN = Kβ（任意の正の整数βに対して）を満たすゼロフォーシングスケームがDoF外部バウンドを達成する。
• ヌル空間干渉整合化スケームは、M = KβおよびN = Kβ + βを満たす場合にも、任意の正の整数βに対してDoF外部バウンドを達成する。
• 両スケームにおけるDoFはmin(KM, KN)に比例してスケーリングされ、DoFがユーザーまたは基地局アンテナアレイの総数の小さい方で制限されることを確認している。
• 結果は、2セルマルチセルMIMOMACにおいて干渉整合化およびゼロフォーシングが理論的DoF限界に到達可能であり、提案されたスケームの最適性を示している。