[论文解读] Improper signaling and symbol extensions: How far can we go with Gaussian P2P codebooks in the interfering MAC with TIN?

Ali Kariminezhad, Anas Chaaban+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用 8

一句话总结

本文研究了在部分干扰多址接入信道（PIMAC）中，采用符号扩展的非正规高斯信号传输，在干扰作为噪声（TIN）策略下的性能。通过将速率最大化与功率最小化问题建模为带半定松弛的半定规划（SDP），结果表明，与正规高斯信号相比，非正规信号可将可实现速率提升至三倍，并显著提高能量效率，尤其在具有时频资源相关性的干扰受限场景中表现更优。

ABSTRACT

Meeting the challenges of 5G demands better exploitation of the available spectrum by allowing multiple parties to share resources. For instance, a secondary unlicensed system can share resources with the cellular uplink of a primary licensed system for an improved spectral efficiency. This induces interference which has to be taken into account when designing such a system. A simple yet robust strategy is treating interference as noise (TIN), which is widely adapted in practice. It is thus important to study the capabilities and limitations of TIN in such scenarios. In this paper, we study this scenario modelled as Multiple Access Channel (MAC) interfered by a Point-to-Point (P2P) channel. Here, we focus on rate maximization and power minimization problems separately. We use improper Gaussian signaling (instead of proper) at the transmitters to increase the design flexibility, which offers the freedom of optimizing the transmit signal pseudo-variance in addition to its variance. Furthermore, we allow correlation among the transmitted signals over orthogonal resource basis (i.e., time or frequency) for the purpose of optimal signaling design over the extended channel. We formulate the rate maximization problem as a semidefinite program, and use semidefinite relaxation (SDR) to obtain a near-optimal solution. Numerical optimizations show that, by improper Gaussian signaling the achievable rates can be improved upto three times depending on the strength of the interfering links. Furthermore, we observe significant benefits in power consumption by improper Gaussian signaling with symbol extensions compared to the traditional proper Gaussian signaling. Interestingly, by minimizing sum power given the solution of the rate maximization problem improves the energy efficiency significantly.

研究动机与目标

• 分析在共享频谱下，干扰作为噪声（TIN）策略在部分干扰多址接入信道（PIMAC）中的性能极限。
• 研究通过同时优化功率与伪方差的非正规高斯信号，如何在干扰受限系统中提升频谱效率与能量效率。
• 通过符号扩展提升信号灵活性，允许正交时频资源之间的信号相关性，从而优化系统设计。
• 利用半定规划（SDP）与半定松弛（SDR）方法，建立并求解速率最大化与总功率最小化问题。
• 采用速率轮廓法表征可实现速率区域的Pareto边界，并通过数值优化验证性能增益。

提出的方法

• 将速率最大化问题建模为带有增广协方差矩阵秩-1约束的非凸优化问题，随后通过松弛转化为凸的半定规划（SDP）。
• 利用半定松弛（SDR）将非凸问题转化为可处理的SDP问题，通过在速率参数R上进行二分法实现高效数值求解。
• 通过引入辅助参数R，将目标函数嵌入约束中，将速率约束整合到可行性问题中，从而实现基于二分法的Pareto边界优化。
• 应用高斯随机化方法，将松弛后的SDP解投影回秩-1流形，获得原始问题的近似最优解。
• 将系统建模为包含MAC用户对与同频点对点（P2P）链路的PIMAC，利用增广协方差矩阵同时捕获非正规信号的功率与伪方差。
• 采用速率轮廓法，通过在不同速率方向向量上进行优化，系统性地探索可实现速率区域的Pareto边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TIN优化的PIMAC与同频干扰场景下，非正规高斯信号在多大程度上可提升频谱效率？
• RQ2 符号扩展与时频资源间信号相关性如何增强干扰受限系统中非正规信号的性能？
• RQ3 在TIN策略下的PIMAC中，与正规高斯信号相比，非正规信号的最大可实现速率增益是多少？
• RQ4 结合符号扩展的非正规信号能否显著降低总功率消耗，同时维持目标速率？
• RQ5 半定松弛在近似该信号框架下非凸速率与功率优化问题最优解方面，效果如何？

主要发现

• 在中等到强干扰环境中，非正规高斯信号可使PIMAC中的可实现速率相比正规高斯信号提升至三倍。
• 符号扩展的使用使正交资源间的信号具备相关性，显著增强了设计灵活性与性能增益。
• 半定松弛为非凸速率最大化问题提供了近似最优解，结合高斯随机化可获得实用的近似解。
• 在速率最大化解的基础上应用功率最小化，可显著提升能量效率，体现了速率与功率优化之间的协同效应。
• 通过在速率参数R上进行二分法的可行性问题建模，可高效计算可实现速率区域的Pareto边界。
• 松弛问题中保持了SINR相关项的严格正性约束，维持了拟凸性，支持通过二分法实现收敛。