[논문 리뷰] Error Probability Analysis and Power Allocation for Interference Exploitation Over Rayleigh Fading Channels

Abdelhamid Salem, Christos Masouros|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 07.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 레이일라이 페이딩 채널에서 M-PSK 신호를 사용하는 다중 사용자 다중 입력 다중 출력(MU-MIMO) 시스템에서 구성적 간섭(CI) 프리코딩에 대한 최초의 통계적 분석을 제시한다. 순간 생성 함수(MGF)와 symbol error probability(SEP)에 대한 정확한 표현과 渐近적 표현을 유도하여, 등가 전력 할당 대비 최대 13 dB의 SNR 이득과 ZF 프리코딩 대비 최대 20 dB의 SEP 이점 달성 가능한 최적화된 전력 할당을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper considers the performance analysis of constructive interference (CI) precoding technique in multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems with a finite constellation phase-shift keying (PSK) input alphabet. Firstly, analytical expressions for the moment generating function (MGF) and the average of the received signal-to-noise-ratio (SNR) are derived. Then, based on the derived MGF expression the average symbol error probability (SEP) for the CI precoder with PSK signaling is calculated. In this regard, new exact and very accurate asymptotic approximation for the average SEP are provided. Building on the new performance analysis, different power allocation schemes are considered to enhance the achieved SEP. In the first scheme, power allocation based on minimizing the sum symbol error probabilities (Min-Sum) is studied, while in the second scheme the power allocation based on minimizing the maximum SEP (Min-Max) is investigated. Furthermore, new analytical expressions of the throughput and power efficiency of the CI precoding in MU-MIMO systems are also derived. The numerical results in this work demonstrate that, the CI precoding outperforms the conventional interference suppression precoding techniques with an up to 20dB gain in the transmit SNR in terms of SEP, and up to 15dB gain in the transmit SNR in terms of the throughput. In addition, the SEP-based power allocation schemes provide additional up to 13dB gains in the transmit SNR compared to the conventional equal power allocation scheme.

연구 동기 및 목표

• Rayleigh 페이딩 채널에서 M-PSK 신호를 사용하는 구성적 간섭(CI) 프리코딩된 MU-MIMO 시스템의 수신된 SNR에 대한 최초의 정확한 통계적 특성화를 제공하는 것.
• MGF와 평균 SNR에 대한 분석적 표현을 도출하여, M-PSK 신호를 사용하는 CI 프리코딩의 성능 평가를 가능하게 하는 것.
• 전체 또는 최대 symbol error probability(SEP)를 최소화하는 전력 할당 방안을 개발하여 시스템 신뢰성을 향상시키는 것.
• CI 프리코딩의 전송률과 전력 효율성에 대한 명시적 분석적 표현을 도출하는 것.
• SEP, 전송률, 전력 효율성 측면에서 기존의 제로포싱(ZF) 프리코딩 대비 CI 프리코딩의 성능 이점을 평가하는 것.

제안 방법

• Rayleigh 페이딩 채널에서 M-PSK 입력을 사용하는 CI-프리코딩된 MU-MIMO 시스템의 순간 생성 함수(MGF)와 평균 수신 SNR에 대한 정확한 폐형 표현을 유도한다.
• 유도된 MGF를 사용하여 정확한 평균 symbol error probability(SEP)를 계산하고, SEP에 대한 매우 정확한 渐近적 근사치를 제공한다.
• 두 가지 전력 할당 방안인 Min-Sum(전체 SEP 최소화) 및 Min-Max(최대 SEP 최소화)을 제안하여 오류 성능을 향상시킨다.
• CI 프리코딩 모델과 채널 통계 기반으로 시스템 전송률과 전력 효율성에 대한 명시적 분석적 표현을 유도한다.
• 다양한 SNR 영역, 변조 순서 및 시스템 구성에서 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성을 검증한다.
• 성능을 기존의 ZF 프리코딩 및 등가 전력 할당과 비교하여 SEP, 전송률, 전력 효율성 측면에서의 이점을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Rayleigh 페이딩 채널에서 M-PSK 신호를 사용하는 CI 프리코딩된 MU-MIMO 시스템의 수신된 SNR에 대한 정확한 통계적 분포는 무엇인가?
• RQ2 M-PSK를 사용하는 CI 프리코딩의 평균 symbol error probability(SEP)에 대한 渐近적 근사치는 얼마나 정확한가?
• RQ3 전체 또는 최대 SEP를 최소화하는 전력 할당 방안이 등가 전력 할당 대비 시스템 성능 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 다양한 SNR 및 변조 수준에서 CI 프리코딩은 기존의 ZF 프리코딩 대비 SEP, 전송률, 전력 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 기지국 안테나 수와 전송 전력의 변화가 MU-MIMO 시스템에서 CI 프리코딩의 전력 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CI 프리코딩은 기존의 ZF 프리코딩 대비 symbol error probability(SEP) 측면에서 최대 20 dB의 전송 SNR 이득을 달성한다.
• 제안된 Min-Sum 및 Min-Max 전력 할당 방안은 등가 전력 할당 대비 SEP 성능에서 최대 13 dB의 추가적인 SNR 이득을 제공한다.
• 모든 변조 순서에서 목표 전송률을 달성하기 위한 전송 SNR 기준으로 CI 프리코딩의 전송률 성능은 ZF를 최대 15 dB 우월하게 한다.
• 저항변조(예: QPSK)는 저SNR 및 기지국 안테나 수가 적을 경우 전력 효율성이 높으며, 고SNR 및 대규모 안테나 어레이에서는 고차원 변조(예: 32-PSK)가 더 효율적이다.
• SEP에 대한 渐近적 근사치는 특히 고SNR 영역에서 매우 정확하여 몬테카를로 시뮬레이션 없이도 신뢰할 수 있는 성능 예측이 가능하다.
• 사용자 수 또는 기지국 안테나 수가 증가할수록 CI 프리코딩의 SEP 성능이 향상되며, 이는 고밀도 다중 사용자 환경에서의 확장성과 강건성을 보여준다.