[논문 리뷰] Joint Constellation Rotation and Symbol-level Precoding Optimization in the Downlink of Multiuser MISO Channels

Maha Alodeh, Björn Ottersten|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 08.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 MISO 다운링크에서 기호 수준의 선형 조절과 상황 회전을 공동 최적화하여 간섭을 유용한 신호 전력으로 전환함으로써 에너지 효율성을 햖스키는 방법을 제안한다. 상황 대칭성을 활용하고, 정수형 프로그래밍과 분할 정복 알고리즘을 사용한 정규화된 준선형 프로그래밍을 통해 계산 복잡도를 감소시키면서도, 전통적인 방법에 비해 상관 채널에서 최대 6 dB의 전력 절감을 달성한다.

ABSTRACT

This paper tackles the problem of the simultaneous interference among the multiple users in the downlink of a wireless multiantenna system. In order to exploit the multiuser interference and transform it into useful power at the receiver side, symbol-level precoding is utilized through joint exploitation of the data from each individual user and the channel state information. This paper introduces a complexity reduction scheme that exploits the constellations symmetry to reduce the number of possible calculations and the number of constraints in the symbol-level optimization problem. This paper also proposes a new transmission technique that jointly optimizes the transmit symbol-level precoding and the constellation rotation of the data stream for each user. The purpose is to increase the probability of having constructive interference, and thus better performance. We focus on improving the energy efficiency by reducing the required power to satisfy certain quality of service constraints through solving a symbol-level precoding problem and finding the optimal phase by which each user constellation should be rotated. This problem is non-convex, therefore, we propose an efficient branch-and-bound algorithm combined with semidefinite relaxation to solve the problem and find an efficient solution. Numerical results are presented in a comparative fashion to show the effectiveness of the proposed technique, which outperforms the state-of-the-art symbol-level precoding schemes in terms of energy efficiency, and power consumption.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 MISO 다운링크 시스템의 에너지 효율성을 향상시키기 위해 다중 사용자 간섭을 유용한 신호 전력으로 전환하는 것.
• 기호 수준의 선형 조절의 계산 복잡도를 상황 대칭성을 활용하여 감소시키는 것.
• 전송 선형 조절 벡터와 사용자별 상황 회전을 공동으로 최적화하여 간섭을 최대한 유리하게 활용하는 것.
• 이차형 및 일정 모odulus 제약 조건을 가진 비볼록 최적화 문제를 준선형 프로그래밍과 분할 정복 알고리즘을 사용해 해결하는 것.
• 다양한 변조 형식과 채널 상관 수준에서 상황 회전의 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• M-PSK 및 M-QAM 상황의 대칭성을 활용하여 입력 데이터 벡터의 수를 4분의 1로 줄임으로써 계산 복잡도를 감소시키는 복잡도 감소 기법을 도입한다.
• 각 사용자의 상황 위상 회전을 동시에 설계함으로써 간섭을 유리하게 활용하는 공동 최적화 프레임워크를 제안한다.
• 전력 최소화 문제를 이차형 제약 조건(선형 조절 및 상황 회전)과 일정 모듈러스 제약 조건을 가진 비볼록 최적화 문제로 모델링한다.
• 비볼록 문제를 선형화하기 위해 준선형 프로그래밍을 적용하고, 최적 해를 찾기 위해 분할 정복 알고리즘을 사용한다.
• 수치적 볼록 최적화 도구를 사용해 완화된 문제를 해결하며, 정확도와 실행 시간을 균형 잡기 위해 반복적 정밀화를 수행한다.
• 다양한 변조 순서(QPSK, 8-QAM, 8-PSK, 16-QAM)와 채널 상관 상황에서의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기호 수준의 선형 조절과 상황 회전을 공동 최적화함으로써 다중 사용자 MISO 다운링크에서 에너지 효율성이 어떻게 향상되는가?
• RQ2 상황 대칭성은 기호 수준의 선형 조절의 계산 복잡도를 얼마나 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 채널 상관성이 상황 회전의 성능 향상에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 기존의 채널 수준 및 기호 수준의 선형 조절과 비교했을 때, 제안된 방법은 복잡도와 성능 면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 고차원 변조에서 상황 회전의 성능 향상 효과는 감소하는가?

주요 결과

• 최적의 상황 회전으로 인해 간섭이 더욱 유리하게 작용함에 따라, 높은 상관성 채널에서 최대 6 dB의 전력 절감을 달성하며, 비상관 채널에서는 2 dB의 절감을 기록한다.
• 상황 대칭성을 활용하면 최적화 문제의 수를 4분의 1로 줄여 런타임을 크게 감소시킨다. 예를 들어, 8-PSK에서 대칭성을 적용할 경우 런타임이 17.9초에서 7.073초로 감소한다.
• 공동 최적화(SLPRo)의 실행 시간은 변조 순서가 높아질수록 증가하여 8-PSK에서는 2037.83초에 이를 수 있지만, 대칭성으로 인해 78.84초로 감소된다.
• 고차원 변조(예: 16-QAM)에서는 상황 회전의 성능 향상 효과가 감소하며, 특히 비상관 채널에서 두드러진다.
• 특히 상관 채널 환경에서 기존의 기호 수준의 선형 조절보다 에너지 효율성과 전력 소비 면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• ε₀를 줄일수록 정밀도가 유지되나, ε₀를 증가시키면 수렴 속도를 높이기 위해 정밀도를 희생시키는 전략을 취할 수 있다.