[논문 리뷰] Leakage-Based Robust Beamforming for Multi-Antenna Broadcast System with Per-Antenna Power Constraints and Quantized CDI

Ming Ding, Meng Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 17.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 30인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 각 안테나의 전력 제약 조건과 양자화된 채널 방향 정보(CDI)를 고려한 다중 사용자 MISO 방송 시스템을 위한 강건한 빔포밍 기법을 제안한다. 논문은 양자화된 CDI 하에서 제로포싱(ZF) 빔포밍이 평균 간섭을 최소화함을 증명하고, 간섭 누설 전력의 폐쇄형 누적분포함수(CDF)를 유도하며, 기하학적 프로그래밍을 사용하여 전력 할당을 최적화하고 가중합률수신 성능을 극대화하는 두 가지 누설 제어 빔포밍 기법—최소 평균 누설 제어(MALC) 및 완화된 평균 누설 제어(RALC)—를 제안한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the robust beamforming schemes for a multi-user multiple-input-single-output (MU-MISO) system with per-antenna power constraints and quantized channel direction information (CDI) feedback. Our design objective is to maximize the expectation of the weighted sum-rate performance by means of controlling the interference leakage and properly allocating the power among user equipments (UEs).First, we prove the optimality of the non-robust zero-forcing (ZF) beamforming scheme in the sense of generating the minimum amount of average inter-UE interference under quantized CDI. Then we derive closed-form expressions of the cumulative density function (CDF) of the interference leakage power for the non-robust ZF beamforming scheme, based on which we adjust the leakage thresholds and propose two robust beamforming schemes under per-antenna power constraints with an iterative process to update the per-UE power allocations using the geometric programming (GP). Simulation results show the superiority of the proposed robust beamforming schemes compared with the existing schemes in terms of the average weighted sum-rate performance.

연구 동기 및 목표

• FDD 시스템에서 제한된 비트 수의 CDI 피드백으로 인한 부정확한 채널 상태 정보 문제를 다루기.
• 실제 다중 안테나 기지국에서 흔한 실용적인 각 안테나 전력 제약 조건 하에서 강건한 빔포밍 설계하기.
• 간섭 누설 제어와 전력 할당 최적화를 통해 가중합률수신 성능 극대화하기.
• 양자화된 CDI 하에서 간섭 누설의 이론적 기초를 구축하여 강건한 설계를 가능하게 하기.
• 각 안테나 전력 제약 조건을 통합한 누설 기반 최적화를 통해 기존의 강건한 빔포밍 기법을 확장하기.

제안 방법

• 양자화된 CDI 하에서 비강건한 ZF 빔포밍이 평균 사용자 간 간섭을 최소화함을 증명하여 강건한 설계의 기초를 확립하기.
• 양자화된 CDI 하에서 ZF 빔포밍의 간섭 누설 전력에 대한 폐쇄형 누적분포함수(CDF)를 유도하기.
• 유도된 CDF를 기반으로 누설 임계값을 조정하여 두 가지 강건한 빔포밍 기법—MALC와 RALC—을 제안하기.
• 각 안테나 전력 제약 조건 하에서 사용자별 전력 할당을 반복적으로 최적화하기 위해 기하학적 프로그래밍(GP)을 사용하기.
• 간섭 누설을 양자화 해상도와 채널 분포에 의존하는 랜덤 변수로 모델링하여 확률적 제약 조건을 가능하게 하기.
• 누설 전력의 CDF를 최적화 프레임워크에 통합하여 CDI 양자화 오차에 대한 강건성을 확보하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 비트 수의 CDI 피드백 하에서 ZF 빔포밍이 평균 누설 간섭을 최소화하는 데 최적일 수 있는가?
• RQ2 양자화된 CDI 하에서 ZF 빔포밍의 간섭 누설 전력에 대한 정확한 통계적 분포는 무엇인가?
• RQ3 강건성과 합률수신 성능의 균형을 맞추기 위해 누설 임계값을 어떻게 적응적으로 설정할 수 있는가?
• RQ4 기하학적 프로그래밍은 각 안테나 전력 제약 조건 하에서 전력 할당을 효과적으로 최적화하면서도 강건성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 실제 제약 조건 하에서 제안된 누설 기반 빔포밍은 기존 기법에 비해 가중합률수신 성능 측면에서 어떻게 우월한가?

주요 결과

• 비강건한 ZF 빔포밍이 양자화된 CDI 하에서 평균 사용자 간 간섭을 최소화함을 증명하여, 간섭 누설 최소화 측면에서의 최적성에 대한 타당성을 입증한다.
• ZF 빔포밍 하에서 간섭 누설 전력의 폐쇄형 표현식을 도출하여 잔류 간섭의 정밀한 통계 모델링을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과, MALC 및 RALC 빔포밍 기법이 기존의 강건한 빔포밍 방법보다 더 높은 평균 가중합률수신 성능을 달성한다.
• 반복적인 GP 기반 전력 할당 과정은 효율적으로 수렴하며 각 안테나 전력 제약 조건을 준수하여 실용적인 타당성을 확보한다.
• 제안된 기법은 특히 사용자 수가 많고 다중화 이득이 큰 환경에서 뚜렷한 성능 향상을 보이며, 성능 향상이 두드러진다.
• 이론적 누설 전력의 CDF는 강건한 빔포밍을 위한 정확한 임계값 설정을 가능하게 하여 CDI 불확실성 하에서도 시스템 신뢰성을 향상시킨다.