[논문 리뷰] Multi-Cell Interference Exploitation: A New Dimension in Cell Coordination

Zhongxiang Wei, Christos Masouros외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 13.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 33인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전송 전력을 최소화하기 위해 이웃셀 간 및 내셀 간 간섭을 유용하게 활용하는 새로운 다셀 협업 프레임워크를 제안한다. 데이터/CSI 공유의 정도를 전면 공유에서 통계적 CSI만으로의 분류를 통해 CoMP 및 CBF보다 뚜렷한 전력 절감을 이룬다. CSI 불확실성 하에서도 강건한 최적화를 구현한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a series of novel coordination schemes for multi-cell downlink communication. Starting from full base station (BS) coordination, we first propose a fully-coordinated scheme to exploit beneficial effects of both inter-cell and intra-cell interference, based on sharing both channel state information (CSI) and data among the BSs. To reduce the coordination overhead, we then propose a partially-coordinated scheme where only intra-cell interference is designed to be constructive while inter-cell is jointly suppressed by the coordinated BSs. Accordingly, the coordination only involves CSI exchange and the need for sharing data is eliminated. To further reduce the coordination overhead, a third scheme is proposed, which only requires the knowledge of statistical inter-cell channels, at the cost of a slight increase on the transmission power. For all the proposed schemes, imperfect CSI is considered. We minimize the total transmission power in terms of probabilistic and deterministic optimizations. Explicitly, the former statistically satisfies the users' signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) while the latter guarantees the SINR requirements in the worst case CSI uncertainties. Simulation verifies that our schemes consume much lower power compared to the existing benchmarks, i.e., coordinated multi-point (CoMP) and coordinated-beamforming (CBF) systems, opening a new dimension on multi-cell coordination.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높고 이종적인 네트워크에서 이웃셀 간 및 내셀 간 간섭이 성능 제한 요소가 되는 문제를 해결한다.
• 기존 CoMP 및 CBF의 한계를 극복하기 위해 간섭을 유용한 신호 에너지로 전환한다.
• 데이터 공유를 점진적으로 줄이면서도 CSI 불확실성 하에서도 안정된 성능을 유지하기 위해 협업 오버헤드를 감소시킨다.
• 부정확한 CSI 하에서도 확률적 및 결정적 강건 최적화를 통해 총 전송 전력을 최소화한다.
• 다양한 협업 수준(전체 공유에서 통계적 CSI 교환까지)의 제안된 방식을 통해 실용적 구현을 가능하게 한다.

제안 방법

• Full-CI-Prob/Det를 제안: 이웃셀 간 및 내셀 간 간섭을 동시에 유용하게 활용하기 위해 CSI 및 데이터를 공유하는 완전한 협업을 수행한다.
• Partial-CI-Prob/Det를 도입: 단지 CSI 교환을 통해 내셀 간섭을 구성하고 이웃셀 간섭은 억제한다.
• Stat-CI를 개발: 통계적 이웃셀 CSI만을 사용하여 백홀 오버헤드를 제거하지만 약간의 전력 증가를 감수한다.
• CSI 추정 오차를 처리하기 위해 확률적 및 결정적 강건 최적화를 적용하여 SINR 요구사항을 충족시킨다.
• 간섭을 목적지 수신기에서 건설적으로 정렬하도록 유도하는 Constructive Interference 원리를 기반으로 한 조절 기법을 사용한다.
• SINR 제약 조건과 CSI 불확실성 모델 하에서 전력 최소화 문제를 해결하기 위해 볼록 최적화 기법을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다셀 다운링크 시스템에서 이웃셀 간 및 내셀 간 간섭을 노이즈로 간주하는 대신 유용한 신호로 활용할 수 있는가?
• RQ2 협업 오버헤드를 줄이면서도 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성을 유지하거나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 간섭 활용 기반의 시스템에서 성능 향상과 협업 오버헤드 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 부정확한 CSI 하에서도 강건한 전력 최소화를 어떻게 달성할 수 있으며, 신뢰할 수 있는 SINR 성능을 보장할 수 있는가?
• RQ5 실시간 CSI 대비 통계적 CSI를 사용할 경우, 협업 전송에서 달성 가능한 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• Full-CI-Prob/Det 방식은 가장 낮은 전송 전력을 달성하며, 완벽한 CSI 하에서도 기존 CoMP보다 뛰어난 성능을 보인다.
• Partial-CI-Prob/Det 방식은 5개의 기지국에서 협업 오버헤드를 0.5 Kb로 줄였음에도 불구하고 CBF 기반 시스템보다 전력 효율성이 뛰어나다.
• Stat-CI 방식은 데이터 공유에 대한 백홀 오버헤드가 전혀 없고 합리적인 전력 소비를 달성하여 고속 이동성 또는 프론트홀 제약이 있는 환경에 적합하다.
• 확률적 강건 최적화는 SINR 요구사항을 높은 확률(예: δ = 0.99)로 충족시키며, 결정적 최적화는 최악의 경우 성능을 보장한다.
• 모든 제안된 방식은 멀티캐스트 유사 조절 구조 덕분에 낮은 계산 복잡도를 보이며, 빠른 수렴이 가능하다.
• 시뮬레이션 결과는 모든 방식이 기준 CoMP 및 CBF 시스템 대비 뚜렷한 전력 절감 효과를 보이며, 특히 CSI 불확실성 하에서도 뛰어난 성능을 입증한다.