[논문 리뷰] Sequential and Incremental Precoder Design for Joint Transmission Network MIMO Systems with Imperfect Backhaul

Ming Ding, Jun Zou외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 17.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 23인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 백홀을 가진 공동 전송 네트워크 MIMO 시스템을 위한 순차적이고 점진적인 프리코더 설계(SIP)를 제안한다. 여기서 프리코더는 참가 확률을 기반으로 서비스 기지국과 비서비스 기지국을 우선순위에 따라 반복 최적화한다. 이 방식은 실제 백홀 제약 조건 하에서 자율적 글로벌 프리코더링(AGP)에 비해 비트 오류율(BER) 성능에서 뚜렷한 향상을 보이며, 특히 열악한 백홀 조건으로 인해 일부 기지국이 일시적으로 탈퇴할 경우에도 유의미한 성능 유지를 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a sequential and incremental precoder design for downlink joint transmission (JT) network MIMO systems with imperfect backhaul links. The objective of our design is to minimize the maximum of the sub-stream mean square errors (MSE), which dominates the average bit error rate (BER) performance of the system. In the proposed scheme,we first optimize the precoder at the serving base station (BS), and then sequentially optimize the precoders of non-serving BSs in the JT set according to the descending order of their probabilities of participating in JT. The BS-wise sequential optimization process can improve the system performance when some BSs have to temporarily quit the JT operations because of poor instant backhaul conditions. Besides, the precoder of an additional BS is derived in an incremental way, i.e., the sequentially optimized precoders of previous BSs are fixed, thus the additional precoder plays an incremental part in the multi-BS JT operations. An iterative algorithm is designed to jointly optimize the sub-stream precoder and sub-stream power allocation for each additional BS in the proposed sequential and incremental optimization scheme. Simulations show that, under the practical backhaul link conditions, our scheme significantly outperforms the autonomous global precoding (AGP) scheme in terms of BER performance.

연구 동기 및 목표

• 백홀 링크가 불완전하고 부분적 협업이 발생할 경우 공동 전송 네트워크 MIMO 시스템의 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 일부 기지국이 백홀 제약으로 인해 공동 전송에서 일시적으로 탈퇴할 경우 성능에 심각한 영향을 받는 자율적 글로벌 프리코더링(AGP)의 한계를 극복하기 위해.
• 변동하는 백홀 가용성 조건에서도 성능을 유지할 수 있는 확장성 있고 동적인 프리코더 최적화 전략을 설계하기 위해.
• 고정된 사전 프리코더를 통해 기지국을 점진적으로 JT 집합에 추가함으로써 성능 손실를 최소화할 수 있는 방법을 제공하기 위해.
• 유한한 피드백 비트 수 조건 하에서 성능을 평가하여 실제 코드북 기반 피드백 시스템을 시뮬레이션하기 위해.

제안 방법

• 서비스 기지국의 프리코더를 먼저 최적화한 후, 참가 확률 내림차순으로 비서비스 기지국을 순차적으로 최적화한다.
• 각 추가 기지국에 대해 이전에 최적화된 프리코더를 고정함으로써 안정성과 점진적 성능 향상을 확보한다.
• 새로 추가된 기지국의 각 하위 스트림 프리코더와 전력 할당을 함께 최적화하는 반복 알고리즘을 적용한다.
• 최대 하위 스트림 평균 제곱오차(MSE)를 최소화하는 최적화를 수행하며, 이는 직접적으로 시스템 BER 성능에 영향을 준다.
• 각 사용자 수신기 처리를 모델링하기 위해 위너 필터를 블록 대각 행렬으로 대체함으로써 다중 사용자 시나리오로 확장한다.
• 3GPP LTE-A 표준을 반영하기 위해 d=4인 코드북 기반 피드백을 사용하여 실제 피드백 제약 조건 하에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국이 동적으로 전송 집합에 참가하거나 이탈할 경우, 백홀이 불완전한 상황에서 공동 전송 네트워크 MIMO 시스템의 성능은 어떻게 저하되는가?
• RQ2 백홀 제약으로 인해 일부 기지국이 일시적으로 공동 전송에서 탈퇴할 경우, 순차적이고 점진적인 프리코더 설계가 높은 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ3 유한한 피드백 비트 수와 실제 백홀 조건 하에서 제안된 SIP 방식이 자율적 글로벌 프리코더링(AGP)에 비해 BER 및 MSE 측면에서 어떻게 성능을 냅니다?
• RQ4 SIP 방식에서 피드백을 위한 최적의 코드북 차원(d)은 무엇인가? 성능 향상과 피드백 오버헤드 사이의 균형을 고려하여 결정한다.
• RQ5 SIP 프레임워크는 성능 이점을 유지하면서 다중 사용자 시나리오로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 실제 백홀 조건 하에서 SIP 방식은 AGP 대비 평균 비트 오류율(BER) 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• d=4일 때 성능과 피드백 오버헤드 사이의 균형이 잘 맞는 것으로 확인되어, 유한한 피드백 비트 조건 하에서도 성능 향상이 유지되었다.
• 최대 하위 스트림 MSE가 효과적으로 최소화되어, 이는 직접적으로 시스템 BER 성능 향상으로 이어졌다.
• 점진적 프리코더 설계는 기지국이 동적으로 JT 집합에 참가하거나 이탈하는 상황에서도 시스템의 안정성과 성능을 유지한다.
• 코드북 기반 피드백 조건 하에서도 안정적인 성능을 유지하였으며, 시뮬레이션 결과 BER 저하는 관리 가능하고 AGP 대비 성능 향상도 유지됨을 확인하였다.
• 제안된 방법은 확장 가능하고 다중 사용자 시나리오에 적합하지만, 본 연구에서는 다중 사용자 프리코더 최적화를 위한 닫힌 형태의 해를 도출하지는 않았다.