[논문 리뷰] Beyond Dirty Paper Coding for Multi-Antenna Broadcast Channel with Partial CSIT: A Rate-Splitting Approach

Yijie Mao, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 11.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 46인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 부분적 CSIT를 가진 다중 안테나 방송 채널을 위한 새로운 전송 전략인 더러운 종이 코딩 통합 수신 전략(DPCRS)을 제안한다. 사용자 메시지를 공통 및 개인 부분으로 분할하고 개인 스트림에 DPC를 적용함으로써 DPCRS는 기존 DPC 및 선형 예측된 RS보다 더 넓은 비율 영역을 달성하며, CSIT 부정확성, 네트워크 부하 및 사용자 배치 변화에 대한 강건성도 향상시킨다.

ABSTRACT

Imperfect Channel State Information at the Transmitter (CSIT) is inevitable in modern wireless communication networks, and results in severe multi-user interference in multi-antenna Broadcast Channel (BC). While the capacity of the multi-antenna (Gaussian) BC with perfect CSIT is known and achieved by Dirty Paper Coding (DPC), the capacity and the capacity-achieving strategy of the multi-antenna BC with imperfect CSIT remain unknown. Conventional approaches therefore rely on applying communication strategies designed for perfect CSIT to the imperfect CSIT setting. In this work, we break this conventional routine and make two major contributions. First, we show that linearly precoded Rate-Splitting (RS), relying on the split of messages into common and private parts and linear precoding at the transmitter, and successive interference cancellation at the receivers, can achieve larger rate regions than DPC in multi-antenna BC with partial CSIT. Second, we propose a novel achievable scheme, denoted as Dirty Paper Coded Rate-Splitting (DPCRS), that relies on RS to split the user messages into common and private parts, and DPC to encode the private parts. We show that the rate region achieved by DPCRS in Multiple-Input Single-Output (MISO) BC with partial CSIT is enlarged beyond that of conventional DPC and that of linearly precoded RS. Gaining benefits from the capability of RS to partially decode the interference and partially treat interference as noise, DPCRS is less sensitive to CSIT inaccuracies, networks loads and user deployments compared with DPC and other existing transmission strategies. The proposed DPCRS acts as a new benchmark and the best-known achievable strategy for multi-antenna BC with partial CSIT.

연구 동기 및 목표

• 완전한 CSIT가 확보되지 않을 경우 다중 안테나 방송 채널에서 발생하는 성능 격차를 해결한다. 이는 일반적인 실용적 제약이다.
• 기존 DPC의 한계를 극복한다. DPC는 CSIT 부정확성에 매우 민감하며, 불완전한 피드백 하에서 성능이 크게 떨어진다.
• 완전한 CSIT 전략을 적응시키는 것이 아니라, 부분적 CSIT 상황을 고려해 처음부터 전략을 설계한다.
• 실제 CSIT 제약 조건 하에서 다중 사용자 MIMO 시스템의 스펙트럼 효율성과 강건성을 향상시킨다.
• DPC와 RS를 융합한 DPCRS가 DPC 및 선형 예측된 RS보다 뛰어난 성능을 낼 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 송신기에서 사용자 메시지를 공통 및 개인 스트림으로 분할하여, 수신기에서 순차적 간섭 제거를 통해 간섭을 관리한다.
• 개인 메시지 스트림에 더러운 종이 코딩(DPC)을 적용하여 간섭을 효과적으로 예측하기 위한 전처리를 가능하게 한다.
• 공통 메시지에 선형 예측을 사용하여 간섭을 정렬하고 부분적 CSIT 하에서 강건성을 향상시킨다.
• RS가 간섭을 부분적으로 디코딩하고 나머지를 노이즈로 간주함으로써 CSIT 오류에 대한 민감도를 감소시키는 능력을 활용한다.
• 추정 오차와 불완전한 채널 지식를 고려하여, [6]의 방법을 사용해 도달 가능한 비율에 대한 하한을 유도한다.
• 다양한 SNR 및 CSIT 품질 조건 하에서 100개의 채널 실현값에 대해 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 DPC, RS 및 DPCRS의 에르고딕 비율 영역을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부분적 CSIT 하에서 DPC를 융합한 RS가 기존 DPC보다 도달 가능한 비율 영역 면에서 뛰어나게 되는가?
• RQ2 제안된 DPCRS 기법은 선형 예측된 RS 및 기존 DPC에 비해 CSIT 부정확성에 대해 얼마나 강건한가?
• RQ3 DPC와 RS를 융합함으로써 MISO 방송 채널에서 각각의 전략보다 더 넓은 비율 영역을 달성할 수 있는가?
• RQ4 네트워크 부하 및 사용자 배치 변화는 DPCRS가 DPC 및 RS에 비해 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 DPCRS는 부분적 CSIT 환경에서 DPC보다 더 낮은 하드웨어 및 계산 복잡도로 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• DPCRS는 부분적 CSIT를 가진 MISO BC에서 기존 DPC 및 선형 예측된 RS보다 더 넓은 에르고딕 비율 영역을 달성한다.
• CSIT가 충분히 부정확할 경우 선형 예측된 RS가 DPC를 능가하며, 이는 불완전한 피드백 하에서도 강건성을 보여준다.
• RS가 DPC를 능가하는 비율 영역 향상은 DPC보다 훨씬 낮은 하드웨어 및 계산 복잡도로 달성된다.
• DPCRS는 DPC 또는 기타 기존 전략보다 CSIT 부정확성, 네트워크 부하 및 사용자 배치 변화에 덜 민감하다.
• 모든 시험 환경에서 DPCRS의 도달 가능한 비율에 대한 하한은 DPC 및 RS의 하한을 항상 초월한다.
• 저SNR 영역(예: σ² = 0.09)에서는 DPC의 이론적 우월성에도 불구하고 선형 예측된 RS의 에르고딕 비율 영역이 DPC를 초월한다.