[論文レビュー] Transmission Mode Selection for Downlink Coordinated Multi-Point Systems

Qian Zhang, Chenyang Yang|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、訓練オーバーヘッドを考慮した上でスペクトル効率を最大化するユーザ中心の伝送モード選択方式を提案する。CoMP共同処理（CoMP-JP）と非CoMP伝送の間で動的に切り替えることで、訓練オーバーヘッドに基づく閉形式のモード選択ルールを用いる。この方法により、セルセンターのユーザに対しては純粋なCoMPより高いスループットを達成し、セルエッジのユーザに対しては非CoMPより高いスループットを達成する一方、バックハネル負荷を顕著に低減する。

ABSTRACT

Coordinated multi-point (CoMP) transmission has been widely recognized as a spectrally efficient technique in future cellular systems. To exploit the abundant patial resources provided by the cooperating base stations, however, considerable training overhead is required to acquire the channel information. To avoid the extra overhead outweighing the cooperative gain, we propose a method that allows each user to select transmission mode between coherent CoMP and Non-CoMP. We first analyze the average throughput of each user under CoMP and Non-CoMP transmission after taking into account the downlink training overhead. A closed-form mode selection rule is then developed, which depends on the user location and system settings, i.e, the number of cooperating base stations and transmit antennas, training overhead and cell-edge signal to noise ratio. Simulation results show that the proposed downlink transmission mode selection method achieves higher throughput than CoMP for cell-center users and than Non-CoMP for cell-edge users after accounting for the overhead. As a by-product, the backhaul load is also reduced significantly.

研究の動機と目的

• CoMPにおける協調利得とチャネル訓練に伴うオーバーヘッドのトレードオフを解消すること、特に高ドリフト速度または高SNR環境において。
• 過剰な訓練オーバーヘッドによりセルセンターのユーザでCoMPの性能が劣化するのを回避すること。
• ユーザ固有の条件に基づき、CoMPを利益を得るユーザに限定することでバックハネル負荷を低減すること。
• 統計的CSIに依存することで追加の制御信号を避けるユーザ側のモード選択メカニズムを構築すること。
• 協調マルチポイント下行リンク伝送におけるスペクトル効率とシステムオーバーヘッドのバランスを図ること。

提案手法

• ユーザ位置、協調する基地局数、送信アンテナ数、訓練オーバーヘッド、セルエッジSNRに基づく閉形式の伝送モード選択ルールを定式化する。
• レイノルズファージング下で、訓練オーバーヘッドをパイロットオーバーヘッド係数βを用いて組み込んだ状態で、CoMPおよび非CoMPモードのスループット上限を導出する。
• 小規模 fading がi.i.d.レイノルズファージング、大規模 fading にパスロスとシャドウイングを含む統計的チャネルモデルを採用する。
• ユーザ中心の意思決定ルールを適用：各ユーザは、有効な訓練オーバーヘッドをスペクトル利得に対して最小化するように、CoMP-JPと非CoMPの間で選択する。
• ユーザスループットのシミュレーションとモード選択性能の検証に、SUSスケジューリングアルゴリズムを用いる。
• 20 MHz帯域幅と16-QAM変調を有するOFDMシステムを想定し、バックハネル負荷をCoMPユーザ数に比例するものとしてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 訓練オーバーヘッドは、異なるユーザ位置におけるCoMP伝送のネットスペクトル効率利得にどのように影響するか？
• RQ2 ユーザ側で閉形式の伝送モード選択ルールは、すべてのユーザ位置で固定CoMPまたは非CoMP運用を上回る性能を達成できるか？
• RQ3 ユーザチャネル状態とシステムパrameterに基づき、CoMPと非CoMPの間で切り替える最適なしきい値は何か？
• RQ4 提案されたモード選択は、完全なCoMP展開と比較して、どれほどバックハネル負荷を低減するか？
• RQ5 導出されたスループット上限は、現実的なチャネル条件下での実際のシステム性能を予測するのにどれほど正確か？

主な発見

• 提案されたモード選択手法は、訓練オーバーヘッドを考慮した上で、セルセンターのユーザに対しては純粋なCoMPより高い平均スループットを達成し、セルエッジのユーザに対しては非CoMPより高いスループットを達成する。
• 5 dBのセルエッジSNRにおいて、モード選択方式はバックハネル負荷を完全なCoMPシステムの約半分にまで低減し、0 dB SNRではバックハネル負荷を50%削減する。
• モード選択ルールにおけるチャネル推定効率の近似が性能に顕著な影響を及ぼさないため、解析的上限の使用が妥当であることが裏付けられる。
• シミュレーション結果から、上限スループットに基づくモード選択の性能が、シミュレートされた平均スループットに基づく性能と密接に一致することが示され、導出された上限のタイトさが裏付けられる。
• スペクトル利得が訓練オーバーヘッドを上回るユーザにCoMPを使用を限定することで、バックハネル負荷が顕著に低減され、特にセルエッジのユーザに大きな恩恵をもたらす。
• 結果から、高セルエッジSNRにおいてはチャネル利得の不均衡にのみ依存するモード選択は不十分であることが示され、ユーザ位置とSNRを併用して考慮する必要がある。