[논문 리뷰] Multicell Zero-Forcing and User Scheduling on the Downlink of a Linear Cell Array

H.J. Bang, David Gesbert|ArXiv.org|2009. 11. 05.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 15인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 선형 셀 어레이 다운링크에서 다셀 제로포싱 beamforming (ZFBF)과 사용자 스케줄링을 분석하여, ZFBF가 단일셀 처리 (SCP)보다도 많은 사용자 환경에서도 상당히 높은 합산 속도를 달성함을 보여준다. 각 기지국의 전력 제약 조건 하에서 최적의 beamforming 가중치와 스케줄링 정책을 도출하며, SCP 하에서 ZFBF 성능을 따라잡기 위해 필요한 셀당 사용자 수가 ZFBF의 사용자 수에 따라 로그적으로 증가함을 증명한다.

ABSTRACT

Coordinated base station (BS) transmission has attracted much interest for its potential to increase the capacity of wireless networks. Yet at the same time, the achievable sum-rate with single-cell processing (SCP) scales optimally with the number of users under Rayleigh fading conditions. One may therefore ask if the value of BS coordination is limited in the many-user regime from a sum-rate perspective. With this in mind we consider multicell zero-forcing beamforming (ZFBF) on the downlink of a linear cell-array. We first identify the beamforming weights and the optimal scheduling policy under a per-base power constraint. We then compare the number of users m and n required per-cell to achieve the same mean SINR, after optimal scheduling, with SCP and ZFBF respectively. Specifically, we show that the ratio m/n grows logarithmically with n. Finally, we demonstrate that the gain in sum-rate between ZFBF and SCP is significant for all practical values of number of users.

연구 동기 및 목표

• 선형 셀 어레이 다운링크에서 다셀 제로포싱 범용빔포밍 (ZFBF)이 단일셀 처리 (SCP)보다 성능 향상을 얼마나 보이는지 평가하기.
• 각 기지국의 전력 제약 조건 하에서 최적의 범용빔포밍 가중치와 사용자 스케줄링 정책을 규명하기.
• SCP와 ZFBF 하에서 동일한 평균 SINR를 달성하기 위해 셀당 필요한 사용자 수를 정량화하기.
• SCP가 많은 사용자에서 최적의 스케일링을 달성할 수 있을 때, 기지국 간 협업이 사전 점 渐 渐진 다수 사용자 환경에서 상당한 합산 속도 향상을 제공하는지 평가하기.

제안 방법

• 각 사용자가 가장 가까운 두 기지국(BS)에 의해 서비스되는 선형 셀 어레이를 모델링하며, 전송기 측에서 완전한 채널 상태 정보를 가정한다.
• 각 기지국의 전력 제약 조건 하에서 제로포싱 조건을 만족시키는 범용빔포밍 가중치를 유도하여 이웃 셀 간 간섭을 제거한다.
• 사용자 수가 증가함에 따라 스케줄링 후 SINR의 점 渐 진 행동을 기술하기 위해 극값 이론(EVT)을 적용한다.
• 순서 통계와 CDF 기반 분석을 사용하여 $ n $명의 랜덤 사용자 중에서 최대 SINR의 분포를 모델링한다.
• 해석적 접근 가능성을 확보하기 위해 유효 SINR 분포에 대한 조각별 누적분포함수 (CDF)를 구축한다.
• 기대 SINR에 대한 상한과 하한을 도출하고, 이를 통해 사용자 수 비율의 점 渐 진 스케일링을 확립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수 사용자 환경에서 다셀 ZFBF의 합산 속도 성능은 SCP와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 SCP가 ZFBF의 평균 SINR를 동일하게 달성하기 위해 셀당 최소 몇 명의 사용자가 필요한가?
• RQ3 SCP 하에서 필요한 사용자 수 $ m $ 과 ZFBF 하에서의 사용자 수 $ n $ 의 비율 $ m/n $ 이 $ n $ 과 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 실제 사용자 수 값에서 ZFBF가 SCP에 비해 얼마나 큰 합산 속도 향상을 제공하는가?
• RQ5 SCP가 많은 사용자에서 최적의 스케일링을 달성할 수 있을 때, 기지국 간 협업이 사전 점 渐 진 다수 사용자 환경에서 상당한 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• ZFBF의 평균 SINR를 SCP가 따라잡기 위해 필요한 셀당 추가 사용자 수를 나타내는 비율 $ m/n $ 이 ZFBF 하에서의 사용자 수 $ n $ 과 함께 로그적으로 증가한다.
• SCP가 많은 사용자에서 최적의 스케일링을 달성함에도 불구하고, 실용적인 사용자 수 값에서 ZFBF와 SCP 간의 합산 속도 향상은 상당히 크다.
• 각 기지국의 전력 제약 조건 하에서, 제로포싱 조건을 만족시키고 이웃 셀 간 간섭을 최소화하기 위해 최적의 범용빔포밍 가중치가 명시적으로 도출된다.
• ZFBF 하에서 스케줄링 후의 SINR는 $ \log_2(1 + \rho \ln n) $ 와 같이 스케일링되며, 여기서 $ \rho $ 는 신호 대 간섭 비율(SNR)이고 $ n $ 은 셀당 사용자 수이다.
• 분석 결과, ZFBF와 SCP 간의 성능 격차가 사용자 수가 증가함에 따라 점 渐 진적으로 줄어들지 않으며, 이는 점 渐 진 기대와 반대된다.
• ZFBF 하에서 기대 SINR는 $ n $ 에 대해 로그적으로 증가하는 함수로 아래에서 유계이며, 큰 $ n $ 에서 유도된 경계는 매우 날카롭다.