[논문 리뷰] Joint Source and Relay Design for Multi-user MIMO Non-regenerative Relay Networks with Direct Links

Haibin Wan, Wen Chen|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 11.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 24인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 직접 소스-대상 링크를 갖는 다중 사용자 MIMO 비재가성 중계 네트워크를 대상으로, 수정된 전력 제약 조건 하에서 중첩 반복 알고리즘을 사용한 공동 소스 및 중계 프리코딩 설계를 제안한다. 이는 최적의 소스 및 중계 행렬이 용량 기준과 MSE 기준 모두에서 동일한 구조를 공유함을 증명하며, 시뮬레이션에서 기존 방법보다 뛰어난 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate joint source precoding matrices and relay processing matrix design for multi-user multiple-input multiple-output~(MU-MIMO) non-regenerative relay networks in the presence of the direct source-destination~(S-D) links. We consider both capacity and mean-squared error~(MSE) criterions subject to the distributed power constraints, which are nonconvex and apparently have no simple solutions. Therefore, we propose an optimal source precoding matrix structure based on the point-to-point MIMO channel technique, and a new relay processing matrix structure under the modified power constraint at relay node, based on which, a nested iterative algorithm of jointly optimizing sources precoding and relay processing is established. We show that the capacity based optimal source precoding matrices share the same structure with the MSE based ones. So does the optimal relay processing matrix. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm outperforms the existing results.

연구 동기 및 목표

• 기존 연구에서 자주 忽시되는 직접 소스-대상(S-D) 링크를 갖는 다중 사용자 MIMO 비재가성 중계 네트워크에서 공동 소스 및 중계 프리코딩 설계의 과제를 해결하기 위해.
• 비볼록성과 분산 전력 제약 조건에도 불구하고, 용량 및 MSE 기준 모두에서 소스 프리코딩 및 중계 처리 행렬의 최적 구조를 개발하기 위해.
• 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 향상시키기 위해 소스 및 중계 행렬을 공동으로 최적화하는 중첩 반복 알고리즘을 수립하기 위해.
• 최적의 용량 및 MSE 기준에서의 소스 및 중계 행렬 구조가 동일함을 입증하여 설계를 단순화하고 통합 최적화를 가능하게 하기 위해.
• 실제 페이딩 및 경로 손실 모델 하에서 광범위한 시뮬레이션을 통해 제안된 방법의 우수성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 수정된 중계 전력 제약 조건을 사용하여 다중 사용자 중계 네트워크를 병렬 스칼라 서브채널로 변환함으로써, 단일 링크 MIMO 기법의 적용을 가능하게 한다.
• 효율적 채널 행렬의 특이값 분해(SVD) 기반으로 최적의 소스 프리코딩 행렬 구조를 유도하며, 용량 및 MSE 최적성과의 일치를 보장한다.
• 수정된 전력 제약 조건 하에서 새로운 중계 처리 행렬 구조를 제안하며, 증폭과 간섭을 균형 있게 조절하기 위해 일반화된 고유값 문제에서 유도된다.
• 소스 프리코딩과 중계 처리 행렬을 번갈아 최적화하는 중첩 반복 알고리즘을 개발하여 공동 최적해로 수렴한다.
• 수정된 전력 제약 조건을 충족시키기 위해 중계 행렬에 전력 제어 인자를 도입하여 중계 증폭 및 직접 링크 기여도를 모두 고려한다.
• 용량 기반 및 MSE 기반 최적화 프레임워크를 모두 적용하며, 두 기준 모두에서 동일한 최적 행렬 구조임을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용량 및 MSE 기준 모두에서 직접 S-D 링크를 갖는 MU-MIMO 비재가성 중계 네트워크에서 소스 프리코딩 및 중계 처리 행렬에 대해 통합 최적 구조를 유도할 수 있는가?
• RQ2 비볼록성과 분산 전력 제약 조건에도 불구하고, 소스 및 중계 행렬의 공동 최적화는 어떻게 수식화하고 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ3 직접 S-D 링크는 다중 사용자 MIMO 중계 시스템에서 최적 프리코딩 및 중계 행렬 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 직접 링크가 존재하는 조건에서 용량 기반 및 MSE 기반 최적화 간에 소스 및 중계 행렬 최적 구조가 동일하게 유지되는가?
• RQ5 실제 채널 조건 하에서 제안된 공동 설계는 기존 방법 대비 에르고딕 용량 및 합산-MSE 측면에서 어떻게 우월한가?

주요 결과

• 용량 및 MSE 기준 모두에서 최적의 소스 프리코딩 행렬은 동일한 구조를 공유하며, 이는 통합 설계를 가능하게 하고 최적화를 단순화한다.
• 용량 및 MSE 기준 모두에서 최적의 중계 처리 행렬 역시 동일한 구조를 보이며, 제안된 프레임워크의 강건성을 검증한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 직접 링크가 없는 경우나 난이도 높은 방법보다 더 높은 에르고딕 용량을 달성함을 보여주며, 고 SNR에서 특히 두드러진다.
• 제안된 알고리즘은 용량 및 합산-MSE 지표에서 기존 방법을 초월하며, 고 SNR 및 중간에서 고 거리 중계 영역에서 성능 향상이 더욱 두드러진다.
• 직접 S-D 링크를 설계에 적절히 반영할 경우 시스템 성능이 크게 향상되며, 이는 제안된 방법이 NOD 및 SOS보다 뛰어난 성능을 보임으로써 입증된다.
• 중첩 반복 알고리즘이 신뢰성 있게 수렴하며 상당한 성능 향상을 제공함으로써, 공동 최적화 접근의 효과성을 입증한다.