[論文レビュー] The Feasibility of Interference Alignment for Reverse TDD Systems in MIMO Cellular Networks

Ki‐Yeon Kim, Sang-Woon Jeon+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 44被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、1つのセルが上行リンク（UL）で、別のセルが下行リンク（DL）で動作するMIMOリバースTDD（R-TDD）セルラー網における1ショット線形干渉対策（IA）の必要十分な実現可能性条件を確立する。反復的ビームフォーミング設計を提案することで、最適な和自由度（DoF）を達成し、実用的なSNR領域において和レートを顕著に向上させ、非対称UL/DL MIMO構成における実現可能性と性能向上を示している。

ABSTRACT

The feasibility conditions of interference alignment (IA) are analyzed for reverse TDD systems, i.e., one cell operates as downlink (DL) but the other cell operates as uplink (UL). Under general multiple-input and multiple-output (MIMO) antenna configurations, a necessary condition and a sufficient condition for one-shot linear IA are established, i.e., linear IA without symbol or time extension. In several example networks, optimal sum degrees of freedom (DoF) is characterized by the derived necessary condition and sufficient condition. For symmetric DoF within each cell, a sufficient condition is established in a more compact expression, which yields the necessary and sufficient condition for a class of symmetric DoF. An iterative construction of transmit and received beamforming vectors is further proposed, which provides a specific beamforming design satisfying one-shot IA. Simulation results demonstrate that the proposed IA not only achieve lager DoF but also significantly improve the sum rate in the practical signal-to-noise ratio (SNR) regime.

研究の動機と目的

• 1つのセルがULで、別のセルがDLで動作するMIMOリバースTDD（R-TDD）セルラー網における干渉対策（IA）の実現可能性条件を分析すること。
• 一般のMIMOアンテナ構成下での1ショット線形IAに必要な十分な条件を導出すること。
• 導出された条件を用いて、さまざまなネットワーク構成における最適な和自由度（DoF）を特徴づけること。
• 1ショットIA制約を満たす送信ビームフォーミングベクトルと受信ビームフォーミングベクトルを構築する反復的アルゴリズムを提案すること。
• 提案されたIA方式の和レート性能を実用的なSNR領域で評価し、ベースライン方式と比較すること。

提案手法

• 任意のアンテナ構成を持つ2セルMIMO R-TDDネットワークにおける1ショット線形IAの必要十分条件を導出する。
• 干渉対策制約を満たす送信ビームフォーミングベクトル {V_βl} と受信ビームフォーミングベクトル {U_αk} を構築する新しい反復的アルゴリズムを導入する。
• チャネル行列と電力制約を用いて、セル内、セル間、および目的信号の電力の干渉共分散行列をモデル化する。
• 信号対干渉＋ノイズ比（SINR）式を用いて、ユーザーごとの実現可能レートと和レートを行列行列式を用いて計算する。
• 独立同一分布のレイノルズフェイジングチャネル上でモンテカルロ平均を用いて、複数の実現に対して性能を評価する。
• 提案されたIA方式を、ゼロフォーリング予めき方式を用いた単一セル活性化およびポイントツーポイント容量と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称UL/DL動作を伴う2セルMIMO R-TDDネットワークにおける1ショット線形干渉対策の必要十分条件は何か？
• RQ2 R-TDD動作下で、各セルのアンテナ数が増加するに従い、最適な和自由度（DoF）はどのようにスケーリングするか？
• RQ3 反復的ビームフォーミング設計により、実用的なSNR領域において、シンボルまたは時間の延長なしに干渉対策を達成できるか？
• RQ4 提案されたIA方式の実現可能和レート性能は、従来の単一セルまたは非対策方式と比較してどの程度か？
• RQ5 対称的DoF条件では、十分条件が必要十分条件に簡略化されるのはどのような場合か？

主な発見

• 提案された1ショット線形IAは、(12, (8,8,8,8)) × (18, (4,4,4)) MIMO R-TDDネットワークにおいて、理論的上限と一致する最適な和DoF 18を達成する。
• 反復的ビームフォーミング構築は高速に収束し、10～15イテレーション以内に総漏れ干渉電力をほぼゼロにまで低減する。
• 提案されたIA方式は、単一セル活性化やポイントツーポイント容量と比較して、特に中程度から高SNR領域で顕著に和レートを向上させる。
• 対称的DoF構成において、十分条件は必要十分条件に簡略化され、DoF実現可能性の正確な特徴づけが可能になる。
• シミュレーション結果により、提案されたIAは実用的なSNR領域において最適なDoFと優れた和レート性能を両立しており、その実現可能性と効率性が検証された。