[论文解读] Achievable DoF Regions of MIMO Networks with Imperfect CSIT

Chenxi Hao, Borzoo Rassouli+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种新型的预编码方案，用于在发射端信道状态信息（CSIT）不完美且CSIT误差随信噪比（SNR）衰减的MIMO广播信道（BC）与干扰信道（IC）中，通过向具有更多天线的用户传输额外的非零 forcing（non-ZF）预编码私有符号，并采用空时信号设计，实现了在非对称天线配置和非完美CSIT质量下的最优自由度（DoF）区域，优于传统方案，并在特定情况下与外 bound 一致。

ABSTRACT

We focus on a two-receiver Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Broadcast Channel (BC) and Interference Channel (IC) with an arbitrary number of antennas at each node. We assume an imperfect knowledge of local Channel State Information at the Transmitters (CSIT), whose error decays with the Signal-to-Noise-Ratio. With such configuration, we characterize the achievable Degrees-of-Freedom (DoF) regions in both BC and IC, by proposing a Rate-Splitting approach, which divides each receiver's message into a common part and a private part. Compared to the RS scheme designed for the symmetric MIMO case, this scheme is suitable for the general asymmetric deployment with an arbitrary number of antennas at each node. In BC, the proposed block 1) employs an unequal power allocation to the private messages of the two receivers, 2) exploits the benefit of having an extra spatial dimension at one receiver, and 3) is carried out with a Space-Time transmission. These features enable the scheme to yield a greater DoF region than trivially extending the scheme designed for the symmetric case. In IC, we modify the scheme proposed for the BC case by applying a linear transformation to the channel matrices. Such a linear transformation allows us to identify the signal space where the two transmitted signals interfere with each other and propose a proper power allocation policy. The achievable DoF regions are shown to be optimal for some antenna configurations.

研究动机与目标

• 解决在仅有不完美当前CSIT时，表征MIMO广播信道与干扰信道中DoF区域的开放问题。
• 克服传统方案因不完美CSIT导致的残留干扰而造成的DoF损失。
• 设计一种灵活的RS框架，利用非对称天线阵列与非完美CSIT质量，以最大化DoF性能。
• 推导外 bound 以验证在特定配置下所提可实现DoF区域的最优性。

提出的方法

• 提出一种预编码方案，将每个用户的码率分为公共部分与私有部分。
• 为具有更多天线的接收用户引入非零 forcing（non-ZF）预编码的私有符号，以提升DoF性能。
• 采用空时信号结构以改善公共消息的可解码性并平衡干扰管理。
• 通过将信道矩阵进行行变换，修改干扰信道中的功率分配策略，以识别干扰信号空间。
• 利用接收信号的规范形式与熵界技术，通过滑动窗口引理与对齐图像集方法推导DoF约束。
• 利用对齐图像集与滑动窗口引理推导外 bound，以在特定条件下确立最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在任意天线配置与不完美CSIT的两用户MIMO BC中，可实现的DoF区域是什么？
• RQ2 在具有非对称天线阵列与不完美CSIT的MIMO IC中，如何提升DoF性能？
• RQ3 所提出的RS方案在特定CSIT质量与天线配置下是否可达到DoF区域的外 bound？
• RQ4 当一个接收用户具有更多天线时，私有消息的非-ZF预编码在提升DoF方面起到什么作用？
• RQ5 空时信号设计如何改善非对称MIMO网络中公共消息可解码性的平衡？

主要发现

• 在CSIT误差随SNR衰减为SNR^(-α)的MISO BC中，所提RS方案实现了总DoF为$1 + \beta$，优于将干扰视为噪声时的$2\alpha$。
• 对于具有$M$个发射天线与$N_1, N_2$个接收天线的MIMO BC，可实现的DoF区域在无CSIT与完美CSIT区域之间平滑插值。
• 在MIMO IC中，通过行变换识别干扰信号空间并优化功率分配，所修改的RS方案实现了最优DoF区域。
• 利用对齐图像集与滑动窗口引理推导的外 bound 在$N_1 \leq M \leq N_2$且$M < N_1 + N_2$的情况下与可实现DoF区域一致，证明了在这些配置下的最优性。
• 在不同天线与CSIT条件下，该方案实现了$d_1 + d_2 \leq N_2 + (M - N_2)\alpha_2$与$d_1 + d_2 \leq M$，并通过熵分析验证了紧致性。
• 为具有更多天线的用户引入非-ZF预编码的私有符号，在非对称MIMO系统中显著提升了DoF性能。