[論文レビュー] Transceiver design for single-cell and multi-cell downlink multiuser MIMO systems

Tadilo Endeshaw Bogale|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 76被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、完全および不完全なチャネル状態情報（CSI）下でのダウンリンクマルチユーザーMIMOシステムにおける集中型および分散型線形トランスシーバ設計を提案し、SINR、MSE、およびレートに基づく最適化とさまざまなパワー制約を用いる。新たなMSEダウンリンク干渉双対性を確立し、重み付き和レート最大化と重み付き和MSE最小化が等価であることを証明することで、双対性および分解手法を用いた効率的な解法が可能となる。

ABSTRACT

This thesis designs linear transceivers for the down link multiple user multiple input multiple output single-cell and multiple-cell systems. The transceivers are designed by assuming perfect and imperfect channel state information at the BS and mobile stations (MS). Different signal to interference plus noise ratio, mean square error and rate-based design criteria are considered. These design criteria are formulated by considering total BS, per BS antenna, per user, per symbol or a combination of per BS antenna and per user (symbol) power constraints. To solve these problems generalized down link up link and down link interference duality approaches are proposed. We have also shown that the weighted sum rate maximization problem can be equivalently formulated as weighted sum mean square error minimization problem with additional optimization variables and constraints. We also develop distributed transceiver design algorithms to solve weighted sum rate and mean square error optimization problems for coordinated BS systems. The distributed transceiver design algorithms employ modify matrix fractional minimization and Lagrangian dual decomposition methods.

研究の動機と目的

• 不完全および完全なCSI下での単セルおよびマルチセルダウンリンクマルチユーザーMIMOシステムにおける線形トランスシーバ設計に取り組む。
• 合計基地局パワー、各アンテナごとのパワー、各ユーザーごとのパワー、およびそれらの組み合わせを含む多様なパワー制約下でのトランスシーバ最適化を定式化する。
• 重み付き和レートおよびMSEを最適化するための集中型および分散型アルゴリズムを、協調型基地局システムに適用して開発する。
• ロバストなトランスシーバ設計のための新しい理論的双対性フレームワーク（アップリンク-ダウンリンク双対性およびMSEダウンリンク干渉双対性）を確立する。
• 追加の変数と制約を導入した場合に、重み付き和レート最大化と重み付き和MSE最小化が等価であることを示す。

提案手法

• アップリンク-ダウンリンク双対性を活用し、アップリンクとダウンリンクのチャネル間で対角型パワー割り当て行列を変換する。
• 干渉チャネルのノイズ共分散行列を固定点および僅かに安定なスイッチングシステムとしてモデル化することで、MSEダウンリンク干渉双対性を導入する。
• 重み付き和レート最大化問題を、追加の最適化変数と制約を導入した重み付き和MSE最小化問題に定式化する。
• 協調型基地局システムにおける分散アルゴリズムに、修正された行列分数最小化およびラグランジュ双対分解を適用する。
• 得られた凸近似問題を解くために、2次錐プログラミング（SOCP）および逐次二次プログラミング（SQP）を用いる。
• 干渉モデル化における離散時間スイッチングシステムの安定性特性を活用することで収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なCSI下で合計基地局パワー制約がある場合、どのようにしてロバストなトランスシーバ設計を定式化できるか？
• RQ2 MIMOダウンリンクシステムにおいて、重み付き和レート最適化と重み付き和MSE最適化の等価性を実現する双対性原理は何か？
• RQ3 各アンテナおよび各ユーザーのパワー制約下で、協調型マルチ基地局MIMOシステムにおける分散型トランスシーバアルゴリズムはどのように設計できるか？
• RQ4 スイッチングシステムモデル化が、干渉チャネルのための新しい双対性フレームワークを確立する上で果たす役割は何か？
• RQ5 提案されたMSEダウンリンク干渉双対性は、既存のMIMOトランスシーバ設計の双対性アプローチをどのように一般化するか？

主な発見

• ノイズ共分散行列を僅かに安定な離散時間スイッチングシステムとしてモデル化することで、不完全なCSI下でもロバストな設計が可能な新たなMSEダウンリンク干渉双対性を確立した。
• 追加の変数と制約を導入した場合、重み付き和レート最大化と重み付き和MSE最小化が等価であることが示され、MSEに基づくフレームワークによる効率的最適化が可能となった。
• 合計パワー制約下でのロバストなトランスシーバ設計において、対角型パワー割り当て行列変換を用いたアップリンク-ダウンリンク双対性を適用し、最適解が得られた。
• ラグランジュ双対分解および行列分数最小化に基づく分散アルゴリズムは、協調型MIMOシステムにおいて収束性と中央集権的解に近い性能を達成した。
• 提案された双対性フレームワークにより、各アンテナおよび各ユーザーの制限を含む複雑なパワー制約の効率的取り扱いが可能となり、スペクトル効率とロバスト性が向上した。
• 数値結果により、提案アルゴリズムが不完全なCSI下でもほぼ最適な和レートおよびMSE性能を達成することが示され、理論的双対性の有効性が裏付けられた。