[논문 리뷰] Non-linear and Linear Broadcasting with QoS Requirements: Tractable Approaches for Bounded Channel Uncertainties

Michael Botros Shenouda, Timothy N. Davidson|ArXiv.org|2007. 12. 11.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유한한 채널 불확실성 하에서 품질보증(QoS) 제약 조건을 만족하는 루프백 셀룰러 시스템에서 강건한 선형 및 비선형 다운링크 브로드캐스트를 위한 통합적이고 해석 가능한 프레임워크를 제안한다. QoS를 평균 제곱오차(MSE) 제약 조건으로 모델링함으로써, 모든 불확실한 채널 상태에서 성능를 보장하는 볼록 준선형계획문(세미정규행렬프로그램)을 제시하며, 보수적인 과도한 경계 설정 없이도 구현 가능하여 기존의 SINR 기반 방법보다 더 낮은 전력 소비와 더 넓은 QoS 지원이 가능하다.

ABSTRACT

We consider the downlink of a cellular system in which the base station employs multiple transmit antennas, each receiver has a single antenna, and the users specify. We consider communication schemes in which the users have certain Quality of Service (QoS) requirements. We study the design of robust broadcasting schemes that minimize the transmission power necessary to guarantee that the QoS requirements are satisfied for all channels within bounded uncertainty regions around the transmitter's estimate of each user's channel. Each user's QoS requirement is formulated as a constraint on the mean square error (MSE) in its received signal, and we show that these MSE constraints imply constraints on the received SINR. Using the MSE constraints, we present a unified design approach for robust linear and non-linear transceivers with QoS requirements. The proposed designs overcome the limitations of existing approaches that provide conservative designs or are only applicable to the case of linear precoding. Furthermore, we provide computationally-efficient design formulations for a rather general model of channel uncertainty that subsumes many natural choices for the uncertainty region. We also consider the problem of the robust counterpart to precoding schemes that maximize the fidelity of the weakest user's signal subject to a power constraint. For this problem, we provide quasi-convex formulations, for both linear and non-linear transceivers, that can be efficiently solved using a one-dimensional bisection search. Our numerical results demonstrate that in the presence of CSI uncertainty, the proposed designs provide guarantees for a larger range of QoS requirements than the existing approaches, and consume require less transmission power in providing these guarantees.

연구 동기 및 목표

• 기존의 강건한 프리코딩 설계가 보수적이거나 선형 프리코딩에 국한되어 있는 한계를 해결하기 위해.
• 유한한 채널 불확실성 하에서 강건한 선형 및 비선형 수신기 설계를 위한 통합적 프레임워크를 제공하기 위해.
• 불확실성 영역 내 모든 채널에서 QoS 요구사항을 충족시키되, 가능 영역을 확장하지 않고도 보장하기 위해.
• 일반적인 채널 불확실성 모델에 대해 해석 가능한 볼록 형식(세미정규행렬프로그램)을 개발하여 계산 효율성을 확보하기 위해.
• 불확실성 하에서 요구 전력과 구현 가능한 QoS 영역 측면에서 향상된 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 각 사용자의 수신 신호에 대한 평균 제곱오차(MSE)에 대한 제약 조건으로 QoS 요구사항을 모델링한다.
• MSE 경계에서 수신 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)에 대한 등가 제약 조건을 유도한다.
• 채널 추정치의 유한한 불확실성 모델을 사용하며, 진짜 채널은 추정된 채널 중심의 볼록 집합 내에 존재한다.
• 두 번째 순서 코너 프로그래밍(SOCP) 근사 기반의 강건 최적화 기법을 사용하여 강건 설계 문제를 볼록 세미정규행렬프로그램(SDP)으로 변환한다.
• 다양한 실용적인 불확실성 집합을 포함하는 일반화된 불확실성 영역 모델을 적용한다. 이는 양자화 피드백에서 유래한 집합을 포함한다.
• 일차원 이분법 검색을 사용하여 공정한 프리코딩 문제에 대한 준볼록 형식을 제공하며, 효율적인 계산을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 채널 불확실성 하에서 선형 및 비선형 프리코딩을 위한 통합적 강건 설계 프레임워크를 개발할 수 있는가?
• RQ2 선형 및 비선형 방식 모두에서 해석 가능한 최적화를 가능하게 하기 위해 QoS 요구사항을 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 제안된 MSE 기반 형식은 불확실성 집합의 확장을 요구하지 않으면서도 기존의 SINR 기반 강건 설계의 보수성 문제를 피할 수 있는가?
• RQ4 기존 접근법과 비교해 볼 때 제안된 강건 설계의 계산 복잡도는 어떻게 되며, 효율적으로 해결될 수 있는가?
• RQ5 채널 불확실성 하에서 기존의 강건 프리코딩 기법과 비교해 제안된 방법의 성능(전력 효율성 및 QoS 지원 범위)은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 MSE 기반 강건 설계는 불확실성 집합의 과도한 경계 설정이 필요한 기존의 SINR 기반 강건 설계보다 낮은 전송 전력을 달성한다.
• 이 방법은 선형 및 비선형 프리코딩(톰린슨-하라시마 프리코딩 포함)을 하나의 통합 프레임워크 내에서 지원한다.
• 설계 형식은 볼록 세미정규행렬프로그램이므로 효율적이고 전역 최적해를 확보할 수 있다.
• 이 방법은 불확실성 영역 내 모든 채널에서 QoS 만족을 보장하며, 가능 영역의 확장을 요구하지 않는다.
• 수치 결과는 제안된 방법이 기존 방법보다 불확실성 하에서 더 넓은 QoS 요구사항을 지원함을 보여준다.
• 공정한 프리코딩 문제의 경우, 일차원 이분법으로 해결 가능한 준볼록 형식을 제공하여 계산 효율성을 확보한다.