[논문 리뷰] On the Capacity of Wireless Multicast Networks

Seyed Reza Mirghaderi, Alireza Bayesteh외 1명|ArXiv.org|2008. 05. 28.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 22인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 단일 안테나 또는 MISO 송신기를 갖는 무선 멀티캐스트 네트워크에서 경계 조건이 있는 경우에 무한층 수직 복합 기반의 최적 전력 할당을 유도한다. 하드 및 소프트 커버리지 제약 조건 하에서 전송 안테나 수가 사용자 수에 대해 최소한 로그 스케일로 증가할 경우, 멀티캐스트 전송률이 점차적으로 최적의 평균 사용자 전송률에 수렴하며, 공정성과 거의 에르고딕 용량 성능을 달성함을 증명한다.

ABSTRACT

The problem of maximizing the average rate in a multicast network subject to a coverage constraint (minimum quality of service) is studied. Assuming the channel state information is available only at the receiver side and single antenna nodes, the highest expected rate achievable by a random user in the network, called expected typical rate, is derived in two scenarios: hard coverage constraint and soft coverage constraint. In the first case, the coverage is expressed in terms of the outage probability, while in the second case, the expected rate should satisfy certain minimum requirement. It is shown that the optimum solution in both cases (achieving the highest expected typical rate for given coverage requirements) is achieved by an infinite layer superposition code for which the optimum power allocation among the different layers is derived. For the MISO case, a suboptimal coding scheme is proposed, which is shown to be asymptotically optimal, when the number of transmit antennas grows at least logarithmically with the number of users in the network.

연구 동기 및 목표

• 서비스 품질 제약 조건 하에서 무선 멀티캐스트 네트워크의 평균 사용자 전송률을 최대화하기 위해.
• fading 채널에서 평균 성능(평균 사용자 전송률)과 최소 성능(가장 나쁜 사용자 전송률) 간의 상충 관계를 다루기 위해.
• 하드 및 소프트 커버리지 제약 조건 하에서 무한층 수직 복합 코드에 대한 최적 전력 할당을 유도하기 위해.
• 전송 안테나 수가 증가함에 따라 점차적으로 최적성이 되는 부분적으로 최적의 MISO 복합 기반 제안하기 위해.

제안 방법

• 커버리지 제약 조건 하에서 평균 사용자 전송률을 최대화하기 위해 최적화된 전력 할당을 적용한 무한층 수직 복합 기반 제안.
• 하드 커버리지(고정된 아웃지 전송률 확률)에는 아웃지 용량을, 소프트 커버리지(모든 사용자에 대한 최소 평균 전송률 제약)에는 최소 평균 전송률을 사용.
• 수신기 측의 CSI만을 가정하고, quasi-static 블록 페이딩 및 피드백 없음을 전제로 브로드캐스트 채널 모델 적용.
• 지연 제약 조건이 없을 경우의 에르고딕 용량에 대한 상한선을 유도한 후, 제안된 기반 기술이 이 상한선에 수렴함을 증명.
• 중앙극한정리 적용을 통해 MISO 시스템에서 가장 나쁜 사용자 채널 이득의 분포를 근사.
• M ≥ 2P²log(N) + ω(1) / (1+P)²σ²일 경우, 멀티캐스트 전송률 Rmul이 σ 이내로 최적 전송률 Ropt에 수렴함을 증명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드 커버리지 제약 조건(아웃지 전송률) 하에서 수직 복합 기반의 최적 전력 할당은 무엇인가?
• RQ2 모든 사용자에 대해 최소 평균 전송률이 보장되는 커버리지 제약 조건 하에서 평균 사용자 전송률을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ3 전송 안테나 수가 증가함에 따라 부분적으로 최적의 MISO 복합 기반은 점차적으로 최적성이 될 수 있는가?
• RQ4 전송 안테나 수 M이 사용자 수 N에 대해 어떤 척도 법칙을 따라야 멀티캐스트 전송률이 최적의 평균 사용자 전송률에 수렴하는가?
• RQ5 전송 안테나 수를 늘임으로써 멀티캐스트 네트워크에서 공정성과 시스템 성능은 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 하드 및 소프트 커버리지 제약 조건 모두에 대해 최적의 해는 특정하게 유도된 전력 할당을 갖는 무한층 수직 복합 기반이다.
• MISO 케이스에서 제안된 부분 최적 기반은 전송 안테나 수 M이 사용자 수 N에 대해 최소한 로그 스케일로 증가할 경우 점차적으로 최적성이 된다.
• M > 2P²log(N) + ω(1) / (1+P)²σ²일 경우, 멀티캐스트 전송률 Rmul은 Rmul ≥ Ropt − σ를 만족하여 점근적 최적성을 입증한다.
• 전송 안테나 수 M이 증가함에 따라 가장 나쁜 사용자 채널 이득이 평균 사용자 채널 이득에 분포적으로 수렴함을 보여, 공정성이 보장된다.
• 전송 안테나 수 M이 충분히 증가할 경우, 제안된 기반 기술이 에르고딕 용량의 상한선 Cerg ≤ log(1+P)에 수렴함을 증명한다.
• 전력 제어를 적용한 수직 복합 기반의 사용은 평균 전송률을 높이고 최소 서비스 보장을 보장함으로써, 평균 사용자와 가장 나쁜 사용자 간의 성능 상충 문제를 해결한다.