[논문 리뷰] Cooperative Algorithms for MIMO Interference Channels

Steven W. Peters, Robert W. Heath|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 02.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 비협조적 동일 대역 간섭자로부터 발생하는 색보유 잡음( colored noise)을 고려한 세 가지 협업형 MIMO 간섭정렬 알고리즘을 제안하며, 실용적 네트워크에서의 합성 총 대역폭 향상에 기여한다. 이들 방법—최소 간섭+잡음 누설(INL), 공동 최소 평균 제곱 오차(MMSE) 설계, 수렴성 최대 신호대간섭비(SINR)—는 모두 전송 조절기와 수신 필터를 최적화하며, INL은 제한된 피드백을 위한 정규직교 조절기를 보장하고 SINR 수렴성이 증명되어, 간섭이 존재하는 유한 신호대잡음비(SNR) 영역에서 기존의 간섭정렬 기법보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

Interference alignment is a transmission technique for exploiting all available degrees of freedom in the interference channel with an arbitrary number of users. Most prior work on interference alignment, however, neglects interference from other nodes in the network not participating in the alignment operation. This paper proposes three generalizations of interference alignment for the multiple-antenna interference channel with multiple users that account for colored noise, which models uncoordinated interference. First, a minimum interference-plus-noise leakage algorithm is presented, and shown to be equivalent to previous subspace methods when noise is spatially white or negligible. A joint minimum mean squared error design is then proposed that jointly optimizes the transmit precoders and receive spatial filters, whereas previous designs neglect the receive spatial filter. This algorithm is shown to be a generalization of previous joint MMSE designs for other system configurations such as the broadcast channel. Finally, a maximum signal-to-interference-plus-noise ratio algorithm is developed that is proven to converge, unlike previous maximum SINR algorithms. The latter two designs are shown to have increased complexity due to non-orthogonal precoders, more required iterations, or more channel state knowledge than the min INL or subspace methods. The sum throughput performance of these algorithms is simulated in the context of a network with uncoordinated co-channel interferers not participating in the alignment protocol. It is found that a network with cochannel interference can benefit from employing precoders designed to consider that interference, but in some cases, ignoring the co-channel interference is advantageous.

연구 동기 및 목표

• 유한 신호대잡음비(SNR) 영역에서 및 비협조적 간섭자로부터 발생하는 색보유 잡음이 존재할 경우 기존 간섭정렬(Implicit Alignment, IA) 기법의 비최적 성능 문제를 해결한다.
• 이전의 IA 기법이 수신기 설계를 忽略하는 한계를 극복하기 위해, 전송 조절기와 수신 공간 필터를 동시에 최적화하는 실용적인 알고리즘을 개발한다.
• 최소 간섭+잡음 누설(INL) 알고리즘을 도입하여, 색보유 잡음을 다룰 수 있도록 부분공간 기반 IA를 일반화하고, 제한된 피드백 환경에서 정규직교 조절기를 보장한다.
• 전송 조절기와 수신 필터를 동시에 최적화하는 공동 최소 평균 제곱 오차(MMSE) 설계를 제안한다.
• 이전의 수렴하지 않는 접근 방식과 달리, 수렴성이 증명된 최대 신호대간섭비(SINR) 알고리즘을 개발하여 간섭 제한 네트워크에서 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.

제안 방법

• 최소 INL 알고리즘은 간섭과 잡음이 목적 신호 부분공간으로 누설되는 것을 최소화하며, MMSE 최적화의 특수한 경우로 유도되며, 라그랑주 이중법을 통해 정규직교 조절기를 보장한다.
• 공동 MMSE 설계는 모든 사용자에 대해 평균 제곱 오차를 최소화함으로써 전송 조절기와 수신 병합 행렬을 동시에 최적화하며, 일반화된 고유값 분해를 통해 닫힌 형태의 해를 유도한다.
• 최대 SINR 알고리즘은 각 사용자의 전송 조절기와 수신 필터를 반복적으로 갱신하여 자신의 SINR을 최대화하는 교대 최적화 프레임워크를 사용하며, KKT 조건과 단조성에 기반해 수렴성을 증명한다.
• INL 알고리즘은 고신호대잡음비(SNR) 또는 흰 잡음 조건에서 기존의 부분공간 기반 IA로 축소되어, 이전 연구 결과와의 일관성을 입증한다.
• 모든 알고리즘은 전송 조절기와 수신 필터에 대해 교대 최소화를 사용하며, 일반화된 레일리 쿼티언트 해를 통해 닫힌 형태의 업데이트를 도출한다.
• SINR 최대화 단계는 최적의 전송 조절기 및 수신 필터 벡터를 계산하기 위해 일반화된 고유값 문제를 사용하며, 정규화를 통해 전력 제약 조건을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비협조적 동일 대역 간섭자에 의한 색보유 잡음이 발생하는 MIMO 간섭 채널에서 간섭정렬을 어떻게 일반화할 수 있는가?
• RQ2 전송 조절기와 수신 필터를 공동으로 최적화할 경우, 수신기 설계를 忽略하는 기존의 간섭정렬 기법과 비교해 총 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이전의 수렴하지 않는 접근 방식과 달리, MIMO 간섭 채널에서 수렴성을 보장하는 최대 SINR 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ4 전송 조절기를 동일 대역 간섭에 대응하도록 설계할 경우 성능 향상이 이루어지는 조건은 무엇이며, 언제는 그러한 간섭을 忽略하는 것이 유리한가?
• RQ5 유한 신호대잡음비(SNR)와 제한된 피드백 조건에서 실용적 환경에서 제안된 알고리즘이 표준 간섭정렬 기법과 비교해 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 최소 INL 알고리즘은 제한된 피드백 환경에서 필수적인 정규직교 조절기를 보장하며, 고신호대잡음비(SNR) 또는 흰 잡음 조건에서는 기존의 간섭정렬 기법으로 축소된다.
• 공동 MMSE 설계는 전송 및 수신 beamformer를 동시에 최적화함으로써 기존 간섭정렬 기법보다 뛰어난 간섭 억제 및 신호 복구 성능을 발휘한다.
• 제안된 최대 SINR 알고리즘은 라그랑주 승수에 대한 일차원 검색을 통해 수렴성이 증명되어, 이전의 SINR 기반 방법에서 발생하던 수렴성 문제를 해결한다.
• 시뮬레이션 결과, 동일 대역 간섭자가 존재하는 네트워크에서는 이러한 간섭을 고려해 설계된 전송 조절기가 특히 간섭이 중간 수준일 경우 성능 향상에 기여함을 보여준다.
• 극단적인 경우—예를 들어 한 수신기만 강한 동일 대역 간섭을 경험할 경우—이 간섭을 설계 시 忽略하는 것이 유리한 것으로 나타나, 간섭 모델링과 성능 향상 사이의 상충관계를 시사한다.