[논문 리뷰] On Achievability for Downlink Cloud Radio Access Networks with Base Station Cooperation

Chien-Yi Wang, Michèle Wigger외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 28.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 루프 제한된 공유 링크를 통해 기지국(BS) 간 협력이 가능한 다운링크 클라우드 무선접근망(C-RAN)에 대해 일반화된 데이터 공유(G-DS) 및 일반화된 압축(G-압축)이라는 두 가지 새로운 코딩 체계를 제안한다. 이는 이전 연구에서 다변수 커버링 보조정리가 잘못 적용된 점을 수정하고, Liu–Kang의 체계를 공유 코딩워드를 통해 BS 간 협력을 포함하도록 확장하며, 원래 메모리 없는 가우시안 C-RAN에 대해 설계된 압축 체계를 일반적인 이산 메모리 없는 채널로 일반화한다. 주요 기여는 가우시안 케이스에서 컷셋 외부 경계에 대해 일정 간격 이내의 성능을 달성하는 새로운 내부 경계를 도출한 것이다. 특히, 차원당 $\min\{\frac{L+N}{2}, \frac{L+L\log N}{2}\}$ 비트 이내이다.

ABSTRACT

This work investigates the downlink of a cloud radio access network (C-RAN) in which a central processor communicates with two mobile users through two base stations (BSs). The BSs act as relay nodes and cooperate with each other through error-free rate-limited links. We develop and analyze two coding schemes for this scenario. The first coding scheme is based on Liu-Kang scheme for C-RANs without BS cooperation; and extends it to scenarios allowing conferencing between the BSs. Among few other features, our new coding scheme enables arbitrary correlation among the auxiliary codewords that are recovered by the BSs. It also introduces common codewords to be described to both BSs. For the analysis of this coding scheme, we extend the multivariate covering lemma to non-Cartesian product sets, thereby correcting an erroneous application of this lemma in Liu-Kang's related work. We highlight key aspects of this scheme by studying three important instances of it. The second coding scheme extends the so-called compression scheme that was originally developed for memoryless Gaussian C-RANs without BS cooperation to general discrete memoryless C-RANs with BS cooperation. We show that this scheme subsumes the original compression scheme when applied to memoryless Gaussian C-RAN models. In the analysis of this scheme, we also highlight important connections with the so-called distributed decode--forward scheme, and refine the approximate capacity of a general $N$-BS $L$-user C-RAN model in the memoryless Gaussian case.

연구 동기 및 목표

• Liu–Kang의 데이터 공유 체계에서 BS 간 협력 없이 적용된 다변수 커버링 보조정리의 오류 사용으로 인한 잘못된 구현 증명 문제를 해결하기 위해.
• Liu–Kang 체계를 공유 링크를 통해 기지국 간 협력을 포함하도록 확장하여, 양쪽 기지국에서 복원 가능한 공통 코딩워드를 도입하기 위해.
• 원래 메모리 없는 가우시안 C-RAN에 대해 설계된 압축 체계를 기반으로, 기지국 간 협력이 가능한 일반적인 이산 메모리 없는 채널로 압축 체계를 일반화하기 위해.
• 기지국 간 협력이 가능한 $N$-기지국 $L$-사용자 C-RAN 모델에 대해 새로운 내부 경계를 수립하고, 가우시안 케이스에서의 근사 용량을 정교화하기 위해.
• 분산 디코딩-포워딩(DDF) 체계가 제안된 G-압축 체계를 포함하고 있으며, 컷셋 외부 경계에 대해 일정 간격 이내의 근사 성능을 달성함을 보여주기 위해.

제안 방법

• Liu–Kang 체계를 확장하여 양쪽 기지국에서 복원 가능한 공통 코딩워드 $U_0^n, V_0^n$ 를 도입함으로써, 보조 코딩워드 간의 임의의 상관관계를 가능하게 하는 일반화된 데이터 공유(G-DS) 체계를 제안한다.
• 비 카르테시안 곱 집합으로 확장된 다변수 커버링 보조정리를 도입하여, Liu–Kang 원본 분석에서의 결함을 수정함으로써 정확한 구현 증명을 확보한다.
• 기지국 간 협력이 가능한 이산 메모리 없는 채널로 Park 등이 제안한 압축 체계를 일반화한 일반화된 압축(G-압축) 체계를 개발한다. 이는 공동 압축과 협력 전송을 동시에 허용한다.
• G-압축 체계를 분산 디코딩-포워딩(DDF) 체계와 연결하여 분석함으로써, 가우시안 케이스에서 DDF 체계가 G-압축 체계를 포함함을 보여준다.
• 기지국 간 협력이 가능한 $N$-기지국 $L$-사용자 C-RAN에 대해 내부 경계를 유도하고, 행렬 행렬식 부등식 및 고유값 한계를 사용하여 컷셋 외부 경계와 비교한다.
• 실리스터의 행렬식 항등식과 하다마드의 부등식을 활용하여 컷셋 경계를 완화하고, 이를 내부 경계와 비교함으로써 일정 간격 근사 성능을 확립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Liu–Kang의 데이터 공유 체계는 어떻게 수정되고, 공유 링크를 통한 기지국 간 협력을 포함하도록 확장될 수 있는가?
• RQ2 가우시안 C-RAN에 대해 설계된 압축 체계는 기지국 간 협력을 고려하여 이산 메모리 없는 채널로 일반화될 수 있는가?
• RQ3 C-RAN에서 기지국 간 협력이 가능한 상황에서 제안된 G-압축 체계와 분산 디코딩-포워딩(DDF) 체계 간의 관계는 어떠한가?
• RQ4 기지국 간 협력이 가능한 가우시안 C-RAN 모델에서 제안된 내부 경계는 컷셋 외부 경계에 얼마나 가까이 근사하는가?
• RQ5 사용자 수와 기지국 수에 따라 가용 가능한 데이터 전송 영역과 용량 영역 사이의 갭은 어느 정도인가?

주요 결과

• G-DS 체계는 Liu–Kang 원본 연구에서 다변수 커버링 보조정리가 잘못 적용된 점을 수정하기 위해, 보조정리를 비 카르테시안 곱 집합으로 확장함으로써 유효한 가용성 증명을 보장한다.
• G-DS 체계는 양쪽 기지국에서 복원 가능한 공통 코딩워드 $U_0^n, V_0^n$ 를 도입하여 보조 코딩워드 간의 임의의 상관관계를 가능하게 하며, 협력 성능 향상을 이룬다.
• G-압축 체계는 원래의 압축 체계를 이산 메모리 없는 채널로 일반화하며, 메모리 없는 가우시안 C-RAN에 적용할 경우 원래 체계를 포함한다.
• 분산 디코딩-포워딩(DDF) 체계는 가우시안 케이스에서 G-압축 체계를 포함함을 보여주며, 두 접근법 간의 강력한 연결 고리를 확립한다.
• 제안된 내부 경계는 기지국 간 협력이 가능한 가우시안 $N$-기지국 $L$-사용자 C-RAN 모델에서 컷셋 외부 경계에 대해 $\min\left\{\frac{L+N}{2}, \frac{L+L\log N}{2}\right\}$ 비트/차원 이내의 성능을 달성한다.
• 이 갭은 채널 이득, 전력, 신호 대 잡음비에 영향을 받지 않으며 일정하게 유지되며, 용량에 대해 일정 간격 근사 성능을 보임을 입증한다.