[논문 리뷰] Improper signaling and symbol extensions: How far can we go with Gaussian P2P codebooks in the interfering MAC with TIN?

Ali Kariminezhad, Anas Chaaban외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 07.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 부분 간섭 다중접속 채널(PIMAC)에서 처리 간섭을 노이즈로 간주하는(TIN) 전략 하에 기호 확장과 함께 부적절한 가우시안 신호 전송을 조사한다. 준형식 프로그래밍(SDP)과 준형식 완화(SDR)를 사용하여 비율 최대화 및 전력 최소화 문제를 수립함으로써, 특히 시간/주파수 자원 간 상관성이 있는 간섭 제한 시나리오에서, 부적절한 신호 전송이 적절한 가우시안 신호 전송보다 도달 가능한 전송률을 최대 3배로 높이고 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Meeting the challenges of 5G demands better exploitation of the available spectrum by allowing multiple parties to share resources. For instance, a secondary unlicensed system can share resources with the cellular uplink of a primary licensed system for an improved spectral efficiency. This induces interference which has to be taken into account when designing such a system. A simple yet robust strategy is treating interference as noise (TIN), which is widely adapted in practice. It is thus important to study the capabilities and limitations of TIN in such scenarios. In this paper, we study this scenario modelled as Multiple Access Channel (MAC) interfered by a Point-to-Point (P2P) channel. Here, we focus on rate maximization and power minimization problems separately. We use improper Gaussian signaling (instead of proper) at the transmitters to increase the design flexibility, which offers the freedom of optimizing the transmit signal pseudo-variance in addition to its variance. Furthermore, we allow correlation among the transmitted signals over orthogonal resource basis (i.e., time or frequency) for the purpose of optimal signaling design over the extended channel. We formulate the rate maximization problem as a semidefinite program, and use semidefinite relaxation (SDR) to obtain a near-optimal solution. Numerical optimizations show that, by improper Gaussian signaling the achievable rates can be improved upto three times depending on the strength of the interfering links. Furthermore, we observe significant benefits in power consumption by improper Gaussian signaling with symbol extensions compared to the traditional proper Gaussian signaling. Interestingly, by minimizing sum power given the solution of the rate maximization problem improves the energy efficiency significantly.

연구 동기 및 목표

• 공유 스펙트럼을 가진 부분 간섭 다중접속 채널(PIMAC)에서 간섭을 노이즈로 간주하는(TIN) 전략의 성능 한계를 분석한다.
• 전력과 의사분산을 동시에 최적화하는 부적절한 가우시안 신호 전송이 간섭 제한 시스템에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는지 조사한다.
• 기호 확장을 통해 신호 전송의 유연성을 확장하여 정규직교 시간/주파수 자원 간 상관성을 허용함으로써 시스템 설계를 향상시킨다.
• 준형식 프로그래밍(SDP)과 준형식 완화(SDR)를 사용하여 비율 최대화 및 합산 전력 최소화 문제를 수립하고 해를 구한다.
• 비율-프로파일 방법을 사용하여 도달 가능한 전송률 영역의 파레토 경계를 특성화하고 수치 최적화를 통해 성능 향상을 검증한다.

제안 방법

• 확장된 공분산 행렬의 질량-1 제약 조건이 있는 비볼록 최적화 문제로 비율 최대화 문제를 수립한 후, 이를 볼록 준형식 프로그래밍(SDP)으로 완화한다.
• 비볼록 문제를 다룰 수 있는 유연한 SDP 문제로 변환하기 위해 준형식 완화(SDR)를 사용하며, 전송률 파rameter R에 대한 이분법을 통해 효율적인 수치적 해를 도출한다.
• 목적 함수를 제약 조건에 통합하기 위해 보조 파rameter R을 도입하여 비율 제약 조건을 타당성 문제에 통합함으로써, 파레토 경계를 위한 이분법 기반 최적화를 가능하게 한다.
• 완화된 SDP 해를 질량-1 다양체로 투영하기 위해 가우시안 랜덤화를 적용하여 원래 문제에 대한 근사 최적해를 도출한다.
• 기본 공분산 행렬을 사용하여 부적절한 신호 전송의 전력과 의사분산을 모두 포괄하는 시스템을 PIMAC로 모델링하며, MAC 사용자 쌍과 동일 대역 P2P 링크를 포함한다.
• 다양한 전송률 방향 벡터를 최적화함으로써 비율-프로파일 방법을 활용하여 도달 가능한 전송률 영역의 파레토 경계를 체계적으로 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유 대역 간섭이 존재하는 TIN 최적화 PIMAC에서 부적절한 가우시안 신호 전송이 스펙트럼 효율성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 기호 확장과 시간/주파수 자원 간 상관성을 통해 부적절한 신호 전송의 성능 향상은 간섭 제한 시스템에서 어떻게 이루어지는가?
• RQ3 TIN 하에서 PIMAC에서 부적절한 신호 전송이 적절한 가우시안 신호 전송 대비 도달 가능한 최대 전송률 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 기호 확장을 통한 부적절한 신호 전송은 목표 전송률을 유지하면서 합산 전력 소비를 상당히 줄일 수 있는가?
• RQ5 이 신호 전송 프레임워크에서 비볼록 전송률 및 전력 최적화 문제의 최적 해를 근사하기 위해 준형식 완화는 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 부적절한 가우시안 신호 전송은 특히 중간에서 강한 간섭 환경에서 적절한 가우시안 신호 전송 대비 PIMAC에서 도달 가능한 전송률을 최대 3배까지 향상시킬 수 있다.
• 기호 확장을 통해 정규직교 자원 간 신호 간 상관성을 유도함으로써 설계의 탄력성과 성능 향상이 크게 향상된다.
• 준형식 완화는 비볼록 전송률 최대화 문제에 대해 근사 최적 해를 제공하며, 가우시안 랜덤화를 통해 실용적인 근사 해를 도출할 수 있다.
• 비율 최대화 해에 대해 전력 최소화를 적용할 경우 에너지 효율성이 상당히 향상되며, 이는 전송률과 전력 최적화 간의 상호보완적 상호작용을 보여준다.
• 전송률 파rameter R에 대한 이분법 기반의 타당성 문제 설정은 도달 가능한 전송률 영역의 파레토 경계를 효율적으로 계산할 수 있게 한다.
• 완화된 문제에서 SINR 관련 항의 엄격한 양성 조건이 유지되어 준볼록성과 이분법에 의한 수렴성을 보장한다.