[논문 리뷰] Beamforming on the MISO interference channel with multi-user decoding capability

Zuleita Ho, David Gesbert외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 02.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 간섭 해독 기능을 갖춘 MISO 간섭 채널(MISO interference channel)을 위한 새로운 빔포밍 전략을 제안한다. 여기서 송신기는 수신기에서의 해독을 향상시키기 위해 의 intensional하게 간섭을 증폭할 수 있다. 이는 최적의 빔포머가 항상 질량-1(rank-one)임을 증명하고, 최대비율 전송(MRT) 최적성 조건을 유도함으로써, 특정 시나리오에서는 최대 합산 속도를 달성하는 단순한 알고리즘을 도출한다. 다른 시나리오에서는 부분 최적 성능을 보인다.

ABSTRACT

This paper considers the multiple-input-single-output interference channel (MISO-IC) with interference decoding capability (IDC), so that the interference signal can be decoded and subtracted from the received signal. On the MISO-IC with single user decoding, transmit beamforming vectors are classically designed to reach a compromise between mitigating the generated interference (zero forcing of the interference) or maximizing the energy at the desired user. The particularly intriguing problem arising in the multi-antenna IC with IDC is that transmitters may now have the incentive to amplify the interference generated at the non-intended receivers, in the hope that Rxs have a better chance of decoding the interference and removing it. This notion completely changes the previous paradigm of balancing between maximizing the desired energy and reducing the generated interference, thus opening up a new dimension for the beamforming design strategy. Our contributions proceed by proving that the optimal rank of the transmit precoders, optimal in the sense of Pareto optimality and therefore sum rate optimality, is rank one. Then, we investigate suitable transmit beamforming strategies for different decoding structures and characterize the Pareto boundary. As an application of this characterization, we obtain a candidate set of the maximum sum rate point} which at least contains the set of sum rate optimal beamforming vectors. We derive the Maximum-Ratio-Transmission (MRT) optimality conditions. Inspired by the MRT optimality conditions, we propose a simple algorithm that achieves maximum sum rate in certain scenarios and suboptimal, in other scenarios comparing to the maximum sum rate.

연구 동기 및 목표

• 간섭을 해독하고 제거하는 것에 초점이 맞춰진 MISO 간섭 채널의 패러다임 전환에 대응하기 위해.
• 수신기가 간섭을 해독하고 제거할 수 있을 경우, 기존의 수신 신호 강도와 간섭 억제 사이의 전통적 트레이드오프가 어떻게 변화하는지 분석하기 위해.
• 다양한 해독 구조 하에서 합산 속도 영역의 파레토 경계를 특성화하고 최적의 빔포밍 전략을 규명하기 위해.
• 파레토 최적성과 합산 속도 최대화 조건 하에서 전송 예측기의 최적 질량을 규명하기 위해.
• MRT 최적성 조건에 기반한 실용적인 알고리즘을 개발하여 특정 채널 조건에서 높은 합산 속도를 달성하기 위해.

제안 방법

• 파레토 최적성과 합산 속도 최대화를 위한 최적의 전송 예측기가 사용자 수나 안테나 수에 관계없이 항상 질량-1임을 증명함.
• 다양한 간섭 해독 구조가 빔포밍 설계에 미치는 영향을 분석하며, 특히 해독 능력의 변화가 전송 동기의 변화에 미치는 영향을 중심적으로 고려함.
• 특정 시나리오에서 최대 합산 속도를 달성하기 위해 MRT 최적성 조건을 도출함.
• MRT 최적성 조건을 활용하여 최적 또는 근사 최적의 합산 속도를 달성하는 단순한 빔포밍 알고리즘을 제안함.
• 간섭 해독 능력 하에서 사용자 속도 간의 트레이드오프를 분석함으로써 합산 속도 영역의 파레토 경계를 특성화함.
• 목표 신호 이득과 통제된 간섭 주입을 균형 있게 조절하는 전략을 모델링하기 위해 질량-1 빔포밍 벡터를 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파레토 최적성과 합산 속도 최대화 조건 하에서, 다중 사용자 간섭 해독 기능을 갖춘 MISO 간섭 채널에서 최적의 전송 예측기의 질량은 무엇인가?
• RQ2 수신기가 간섭을 해독하고 제거할 수 있을 경우, 기존의 간섭 회피 전략과 비교해 빔포밍 설계의 근본적 트레이드오프는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 MISO-IC에서 IDC 기능이 있는 경우, 어떤 채널 조건에서 최대비율 전송(MRT)이 최대 합산 속도를 달성하는가?
• RQ4 MRT 최적성 조건에 기반한 단순한 빔포밍 알고리즘이 다양한 간섭 시나리오에서 근사 최적의 합산 속도 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 수신기에서 간섭 해독이 가능할 경우, 합산 속도 영역의 파레토 경계는 어떤 구조를 가지는가?

주요 결과

• 파레토 최적성과 합산 속도 최대화를 위한 최적의 전송 예측기는 항상 질량-1이므로, 빔포밍 설계가 크게 단순화된다.
• 수신기가 간섭을 해독하고 제거할 수 있다면, 송신기가 의도적으로 간섭을 증폭함으로써 이득을 볼 수 있으며, 이는 기존의 간섭 억제를 위한 빔포밍 동기와 반대되는 전환을 이끈다.
• 최대비율 전송(MRT) 조건은 특정 채널 구성에서 최대 합산 속도를 달성하기 위해 필수적이고 충분한 조건이다.
• MRT 최적성 조건에 기반한 제안된 알고리즘은 MRT 조건이 만족되는 시나리오에서 최대 합산 속도를 달성한다.
• MRT 조건이 만족되지 않는 시나리오에서는 알고리즘이 부분 최적이지만 실용적인 합산 속도 성능을 달성한다.
• 다양한 해독 구조 하에서 합산 속도 영역의 파레토 경계가 완전히 특성화되어 있어, 사용자 속도 간 최적의 트레이드오프 설계가 가능해진다.