[论文解读] Distributed Compression for the Uplink of a Backhaul-Constrained Coordinated Cellular Network

Aitor del Coso, S. Simoens|ArXiv.org|Feb 6, 2008

Wireless Communication Security Techniques参考文献 34被引用 10

一句话总结

本文提出了一种在回传链路受限的协作式多天线基站（BS）蜂窝网络中用于上行链路传输的分布式Wyner-Ziv压缩方案。通过在协作式BS上优化高斯压缩噪声，该方法在有限回传容量下最大化用户速率，单协作器场景下获得闭式解，多协作器场景下采用迭代优化方法。

ABSTRACT

We consider a backhaul-constrained coordinated cellular network. That is, a single-frequency network with $N+1$ multi-antenna base stations (BSs) that cooperate in order to decode the users' data, and that are linked by means of a common lossless backhaul, of limited capacity $\mathrm{R}$. To implement receive cooperation, we propose distributed compression: $N$ BSs, upon receiving their signals, compress them using a multi-source lossy compression code. Then, they send the compressed vectors to a central BS, which performs users' decoding. Distributed Wyner-Ziv coding is proposed to be used, and is optimally designed in this work. The first part of the paper is devoted to a network with a unique multi-antenna user, that transmits a predefined Gaussian space-time codeword. For such a scenario, the compression codebooks at the BSs are optimized, considering the user's achievable rate as the performance metric. In particular, for $N = 1$ the optimum codebook distribution is derived in closed form, while for $N>1$ an iterative algorithm is devised. The second part of the contribution focusses on the multi-user scenario. For it, the achievable rate region is obtained by means of the optimum compression codebooks for sum-rate and weighted sum-rate, respectively.

研究动机与目标

• 解决回传容量受限的蜂窝网络中的小区间干扰问题。
• 通过引入带有辅信息的分布式压缩，克服传统量化与分布式检测的局限性。
• 优化协作式BS上的压缩码书，以在固定回传速率约束下最大化用户数据速率。
• 将先前针对单天线系统的成果扩展至更现实的多天线、时不变衰落场景。
• 为单用户与多用户场景提供分布式Wyner-Ziv压缩的最优设计。

提出的方法

• 将分布式Wyner-Ziv（D-WZ）编码适配至具有解码端辅信息的多天线、时不变衰落信道。
• 将每个协作式BS上的信号压缩建模为在其观测信号上叠加高斯噪声，中心BS利用自身信号作为辅信息。
• 将用户的可实现速率表示为压缩协方差矩阵（A_n）与信道统计特性的函数。
• 使用拉格朗日松弛法在总回传速率约束R下优化压缩矩阵。
• 通过特征分解为N=1情形推导闭式解，为N>1情形设计迭代算法。
• 利用基于信道状态信息与压缩噪声的条件协方差矩阵计算互信息项。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多天线、回传链路受限的协作式蜂窝网络中，如何最优设计分布式压缩？
• RQ2 在固定回传容量下，协作式BS上的压缩噪声应如何最优分布以最大化用户速率？
• RQ3 可实现速率如何随协作BS数量与回传容量变化？
• RQ4 在回传受限条件下，分布式Wyner-Ziv编码是否能在频谱效率上优于传统量化方法？
• RQ5 单用户与多用户场景下，最优压缩码书的结构是什么？

主要发现

• 对于单个协作式BS（N=1），通过条件协方差矩阵的特征分解，以闭式形式推导出最优压缩噪声协方差。
• 当N>1时，设计了一种迭代算法以计算最优压缩矩阵，且通过拉格朗日优化保证收敛性。
• 当λ≥1时，最优解为零压缩（A_n=0），表明当回传容量足够大时压缩无益。
• 当λ<1时，最优压缩矩阵A_n表示为U_n η U_n^†，其中η依赖于条件协方差的特征值与回传速率。
• 当压缩噪声与干扰及信道相关性的空间结构对齐时，用户可实现速率最大。
• 在多用户场景下，利用最优压缩码书刻画了和速率与加权和速率区域。