[논문 리뷰] Symbol-Level Multiuser MISO Precoding for Multi-level Adaptive Modulation: A Multicast View

Maha Alodeh, Symeon Chatzinotas외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 12.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 35인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 MISO 시스템에서 다중 수준 변조(MQAM/APSK) 및 적응형 변조를 지원하는 상호 기호 수준 예비처리를 제안하며, 전송 전력 최소화를 위해 다중방송 기반 프레임워크와 위상 제약 조건을 활용한다. 이는 각 사용자에 대한 SINR 또는 유용도 제약 조건 하에서 수행되며, 에너지 효율성 향상에 기여한다. 또한 요구되는 데이터 전송률을 충족시키기 위해 변조 방식을 동적으로 조정함으로써 유연한 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Symbol-level precoding is a new paradigm for multiuser downlink systems which aims at creating constructive interference among the transmitted data streams. This can be enabled by designing the precoded signal of the multiantenna transmitter on a symbol level, taking into account both channel state information and data symbols. Previous literature has studied this paradigm for MPSK modulations by addressing various performance metrics, such as power minimization and maximization of the minimum rate. In this paper, we extend this to generic multi-level modulations i.e. MQAM and APSK by establishing connection to PHY layer multicasting with phase constraints. Furthermore, we address adaptive modulation schemes which are crucial in enabling the throughput scaling of symbol-level precoded systems. In this direction, we design signal processing algorithms for minimizing the required power under per-user SINR or goodput constraints. Extensive numerical results show that the proposed algorithm provides considerable power and energy efficiency gains, while adapting the employed modulation scheme to match the requested data rate.

연구 동기 및 목표

• MPSK에서 일반적인 다중 수준 변조(MQAM 및 APSK)로 기호 수준 예비처리를 확장하기 위해.
• 기호 수준 예비처리 시스템에 적응형 변조를 통합하여 스펙트럼 효율성과 전송률을 유연하게 조절하기 위해.
• 새로운 위상 제약 다중방송 공식화를 통해 각 사용자에 대한 SINR 또는 유용도 제약 조건 하에서 전송 전력을 최소화하기 위해.
• 다중 수준 변조 적응과 기호 수준 예비처리를 통합하는 이론적 및 알고리즘적 프레임워크 수립을 위해.

제안 방법

• 기본적인 간섭을 유도하는 공격적 간섭을 활용하기 위해, 위상 제약 조건이 있는 물리층 다중방송 문제로 기호 수준 예비처리 문제를 수립한다.
• 채널 상태 정보와 데이터 심벌을 기반으로 예비처리기 설계와 변조 방식 선택을 동시에 수행하는 위상 제약 최적화 프레임워크를 도입한다.
• 볼록 근사화와 교대 최적화를 활용하여, 각 사용자에 대한 SINR 또는 유용도 제약 조건 하에서 전송 전력을 최소화하는 반복 알고리즘을 설계한다.
• 채널 품질과 전송 요구사항을 기반으로 변조 순서를 동적으로 조정하여 변조 적응을 예비처리 설계에 통합한다.
• 채널 상태 정보와 전송 데이터 심벌을 모두 고려하는 기호 수준 신호 모델을 활용하여 간섭을 유도적으로 형상화한다.
• 비볼록 제약 조건을 처리하기 위해 페널티 방법 또는 순차적 볼록 프로그래밍을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기호 수준 예비처리는 어떻게 MQAM 및 APSK와 같은 다중 수준 변조를 지원할 수 있는가?
• RQ2 MISO 다운링크 시스템에서 다중 수준 변조 신호에 대해 기여 간섭을 가능하게 하는 위상 제약 조건의 역할은 무엇인가?
• RQ3 기호 수준 예비처리에 적응형 변조를 통합하면 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 적응형 변조와 기호 수준 예비처리를 결합했을 때, 전력 절감과 유용도 향상 측면에서 기대할 수 있는 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 다중 수준 변조 MISO 시스템에서 기존 예비처리 기법 대비 상당한 전력 및 에너지 효율성 향상을 달성한다.
• 기호 수준 예비처리에 적응형 변조를 통합함으로써 요구 전송률을 충족시키면서도 전송 전력을 최소화하는 동적 전송률 적응 기능이 가능해진다.
• 위상 제약 다중방송 공식화가 효과적으로 간섭을 유도적으로 형상화하여 SINR 및 유용도 성능을 향상시킨다.
• 수치 결과는 알고리즘이 채널 상태에 따라 변조 방식을 효과적으로 조정하여 높은 스펙트럼 효율성을 유지함을 보여준다.
• 다양한 채널 환경에서 SINR 및 유용도 제약 조건 하에서 전력 절감 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.