[論文レビュー] Wireless MIMO Switching with Zero-forcing Relaying and Network-coded Relaying

Fanggang Wang, Soung Chang Liew+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 8被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、符号化前向き中継を用いた多素子アンテナリレーショングのMIMOスイッチングフレームワークを、複数ユーザー無線ネットワークに提案する。スループットと公平性を向上させるために、ゼロフォーリングとネットワーク符号化前向きを導入し、等SNR前向き設計がNP困難な最悪SNR問題の近似的に最適で、計算量が少ない代替手段であることを示している。ネットワーク符号化はゼロフォーリング中継に比べて性能を著しく向上させる。

ABSTRACT

A wireless relay with multiple antennas is called a multiple-input-multiple-output (MIMO) switch if it maps its input links to its output links using "precode-and-forward." Namely, the MIMO switch precodes the received signal vector in the uplink using some matrix for transmission in the downlink. This paper studies the scenario of $K$ stations and a MIMO switch, which has full channel state information. The precoder at the MIMO switch is either a zero-forcing matrix or a network-coded matrix. With the zero-forcing precoder, each destination station receives only its desired signal with enhanced noise but no interference. With the network-coded precoder, each station receives not only its desired signal and noise, but possibly also self-interference, which can be perfectly canceled. Precoder design for optimizing the received signal-to-noise ratios at the destinations is investigated. For zero-forcing relaying, the problem is solved in closed form in the two-user case, whereas in the case of more users, efficient algorithms are proposed and shown to be close to what can be achieved by extensive random search. For network-coded relaying, we present efficient iterative algorithms that can boost the throughput further.

研究の動機と目的

• 符号化前向き中継を用いた多素子アンテナMIMOスイッチを介して、K個の単一アンテナステーション間で効率的なユニキャスト通信を可能にする。
• 受信側の最小SNRを最大化する前向き設計を考案し、複数ユーザー環境における公平性を確保する。
• スループットと公平性のトレードオフを評価するため、干渉なしのゼロフォーリング中継と自己干渉キャンセレーションを活用するネットワーク符号化中継を比較する。
• NP困難な最悪SNR問題と計算的に取り扱いやすい等SNR問題との性能ギャップを評価し、後者を実用的な近似手段として提案する。
• 最小限の計算コストで近似的に最適な性能を達成する低複雑度の前向き設計アルゴリズムを開発する。

提案手法

• 上行リンク信号を行列で前向きに符号化し、下行リンクでブロードキャストするMIMOスイッチを用い、1対1または一般ユニキャストスイッチングパターンを実現する。
• ユーザー間干渉を排除するため、ゼロフォーリング前向きを適用し、各受信機が自身の目的信号とノイズのみを受信することを保証する。
• 有効チャネル行列の対角成分がゼロでないネットワーク符号化中継を導入し、受信側で完全にキャンセル可能な自己干渉を許容する。
• NP困難な最悪SNR問題を半定値緩和（SDR）により解き、2ユーザー状況では閉形式解が得られる。
• スループットを向上させるため、ネットワーク符号化中継に向けた反復的アルゴリズムを提案し、最悪SNR解を近似する等SNR前向きを設計する。
• 位相整合とランダム位相ゲインベクトル選択戦略を採用し、特に非ペアワイズスイッチングパターンにおいて性能を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CSIを完全に把握したMIMOスイッチは、すべてのユーザーにおける最小受信SNRを最大化するために、どのように前向き設計を最適化できるか？
• RQ2 NP困難な最悪SNR問題と計算的に単純な等SNR問題との性能ギャップはどの程度で、後者は実用的な近似として有効か？
• RQ3 非ペアワイズスイッチング状況において、ネットワーク符号化中継はゼロフォーリング中継に比べてどの程度スループットを向上させるか？
• RQ4 位相整合、ランダム位相選択、SDRといった異なる前向き設計戦略は、スループットと複雑度の観点でどのように比較できるか？
• RQ5 等SNRフレームワークは、MIMOスイッチングにおける一般送信パターン（ユニキャスト、マルチキャスト、ブロードキャスト）への効果的拡張が可能か？

主な発見

• 高SNR領域において、等SNR前向き設計はSDRベースの最悪SNR解のスループットの2%以内に達し、近似的に最適で計算量が少ない代替手段であることを裏付けた。
• ペアワイズスイッチングにおいて、非PNC逆位相アルゴリズムはゼロフォーリング中継において高SNRでSDRを上回り、SDRはPNC位相整合アルゴリズムを上回るが、ギャップは2%未満にとどまる。
• ネットワーク符号化中継はゼロフォーリング中継に比べてスループットを著しく向上させ、特に非ペアワイズスイッチングパターンで顕著である。反復的SDR方式はランダム位相アルゴリズムを上回る性能を示した。
• 最悪SNR問題のSDRベース解の複雑度は最大O(N⁷)である一方、等SNR手法の複雑度はO(N³)にとどまり、実装に際してははるかに実用的である。
• 等SNRフレームワークは複数送信への容易な拡張が可能であり、一般ユニキャスト、マルチキャスト、ブロードキャストパターンをサポートし、システムの柔軟性を向上させる。
• 非ペアワイズスイッチングにおいて、ランダム位相アルゴリズムは非PNC中継のSDR上限に近い性能を達成し、PNC反復的SDR方式は同一位相ランダム位相法を上回る性能を示した。