[논문 리뷰] Multiuser MIMO Downlink Beamforming with Average SINR Constraints

Yuhan Yang, Shih‐Chun Lin외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 27.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 18인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 MIMO 다운링크 시스템에서 그룹 최대 SINR 필터 백 (GSINR-FB) 비음향기반 범용 기반의 효율적인 동시 송신-수신 beamforming 및 전력 할당 알고리즘을 제안한다. 사용자 수신기 다이나믹스를 활용하고 평균 SINR 제약 조건을 도입함으로써, 복잡한 전력 할당 문제를 선형 문제로 변환하여, 이전 방법들과 유사한 복잡도로 뛰어난 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper we aim to solve the multiuser multi-input multi-output (MIMO) downlink beamforming problem where one multi-antenna base station broadcasts data to many users. Each user is assigned multiple data streams and has multiple antennas at its receiver. Efficient solutions to the joint transmit-receive beamforming and power allocation problem based on iterative methods are proposed. We adopt the group maximum signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) filter bank (GSINR-FB) as our beamformer which exploits receiver diversity through cooperation between the data streams of a user. The data streams for each user are subject to an average SINR constraint, which has many important applications in wireless communication systems and serves as a good metric to measure the quality of service (QoS). The GSINR-FB also optimizes the average SINR of its output. Based on the GSINR-FB beamformer, we find an SINR balancing structure for optimal power allocation which simplifies the complicated power allocation problem to a linear one. Simulation results verify the superiority of the proposed algorithms over previous works with approximately the same complexity.

연구 동기 및 목표

• 다중 안테나 사용자를 갖는 다중 사용자 MIMO 다운링크 시스템에서 동시 송신-수신 beamforming 및 전력 할당 문제를 해결한다.
• 실제 무선 시스템에서 서비스 품질(QoS)을 보장하기 위해 필수적인 사용자별 평균 SINR 제약 조건을 충족시킨다.
• 그룹 beamforming 구조를 통해 각 사용자당 다수의 데이터 스트림 간 협업을 가능하게 하여 수신기 다이나믹스를 효과적으로 활용한다.
• SINR 균형화 구조를 유도하여 비볼록 전력 할당 문제를 선형 최적화 문제로 감소시킴으로써, 본질적으로 복잡한 전력 할당 문제를 단순화시킨다.

제안 방법

• 기지국의 beamforming 벡터와 각 사용자 수신기의 복합 벡터를 동시에 최적화하기 위해 그룹 최대 SINR 필터 백(GSINR-FB) 비음향기반을 채택한다.
• 각 사용자의 데이터 스트림을 그룹으로 모델링하여 공동 처리를 통해 간섭 제거 및 다이나믹스 이득을 달성한다.
• 신뢰성 있는 전송을 보장하기 위해 각 사용자별 평균 SINR 제약 조건을 서비스 품질(QoS) 지표로 도입한다.
• 비볼록 전력 할당 문제를 선형 문제로 변환할 수 있도록 SINR 균형화 구조를 유도하며, 최적화를 단순화시킨다.
• 유도된 제약 조건 하에서 beamformers와 전력 할당을 동시에 최적화하기 위해 반복 알고리즘을 사용한다.
• GSINR-FB를 활용하여 사용자 수신기 출력에서 평균 SINR을 최대화함으로써 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 안테나 사용자를 갖는 다중 사용자 MIMO 다운링크 시스템에서 동시 송신-수신 beamforming 및 전력 할당을 효율적으로 최적화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 어떤 beamforming 구조가 평균 SINR 제약 조건을 충족시키면서도 수신기 다이나믹스를 효과적으로 활용할 수 있는가?
• RQ3 평균 SINR 제약 조건 하에서 복잡한 비볼록 전력 할당 문제를 다룰 수 있는 선형 형태로 단순화시킬 수 있는가?
• RQ4 유사한 계산 복잡도를 갖는 기존 방법들과 비교해 볼 때, 제안된 GSINR-FB 비음향기반의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 GSINR-FB 비음향 기반은 각 사용자당 다수의 데이터 스트림 간 협업을 가능하게 하여 수신기 다이나믹스를 효과적으로 활용한다.
• SINR 균형화 구조는 복잡한 전력 할당 문제를 선형 최적화 문제로 성공적으로 변환하여 계산을 크게 단순화시켰다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 알고리즘이 이전 방법들보다 시스템 성능에서 뛰어나지만, 약간의 계산 복잡도는 유지하고 있음을 입증하였다.
• 평균 SINR 제약 조건이 효과적으로 충족되어 네트워크 내 모든 사용자에서 일관된 서비스 품질이 보장된다.