[论文解读] Interference Exploitation via Symbol-Level Precoding: Overview, State-of-the-Art and Future Directions

Ang Li, Danilo Spano+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2019

Antenna Design and Analysis参考文献 301被引用 5

一句话总结

本文提出符号级预编码（SLP）作为一种技术，通过利用信道状态信息（CSI）和数据符号知识，在多天线无线系统中利用相长干涉（CI）。通过设计在接收端实现相长干扰对齐的预编码器，SLP实现了显著的频谱效率提升和功率节省，概念验证测试平台验证了其在实际应用中的可行性以及相较于传统干扰抑制方法的性能增益。

ABSTRACT

Interference is traditionally viewed as a performance limiting factor in wireless communication systems, which is to be minimized or mitigated. Nevertheless, a recent line of work has shown that by manipulating the interfering signals such that they add up constructively at the receiver side, known interference can be made beneficial and further improve the system performance in a variety of wireless scenarios, achieved by symbol-level precoding (SLP). This paper aims to provide a tutorial on interference exploitation techniques from the perspective of precoding design in a multi-antenna wireless communication system, by beginning with the classification of constructive interference (CI) and destructive interference (DI). The definition for CI is presented and the corresponding mathematical characterization is formulated for popular modulation types, based on which optimization-based precoding techniques are discussed. In addition, the extension of CI precoding to other application scenarios as well as for hardware efficiency is also described. Proof-of-concept testbeds are demonstrated for the potential practical implementation of CI precoding, and finally a list of open problems and practical challenges are presented to inspire and motivate further research directions in this area.

研究动机与目标

• 通过符号级预编码（SLP）利用相长干涉（CI），将多天线无线系统中的干扰从有害因素重新定义为有益因素。
• 开发基于优化的SLP技术，联合考虑CSI和数据符号信息以最大化系统性能。
• 将CI预编码扩展至MIMO、全双工、无线信息与能量同传（SWIPT）及认知无线电等多种应用场景，提升灵活性与硬件效率。
• 通过概念验证测试平台实现，验证SLP在真实无线环境中的实用性。
• 识别并解决未来SLP部署中的开放挑战，包括SINR估计、信道编码集成、同步和波形设计等问题。

提出的方法

• 通过星座点的几何分析形式化相长干涉（CI），推导QAM和PSK调制下CI的凸优化条件。
• 在CI约束下设计最小化发射功率（PM）和SINR平衡（SB）的预编码问题，利用凸优化确保可行性与性能增益。
• 将SLP扩展至超奈奎斯特（FTN）信号与多载波系统，以管理符号间干扰（ISI）、邻道干扰（ACI）和多用户干扰。
• 通过优化峰均功率比（PAPR）和回退要求，将SLP与高效硬件传输相结合。
• 使用软件定义无线电（USRP）实现实时概念验证测试平台，展示在实际MIMO系统中基于CI的预编码。
• 提出SLP、调制与前向纠错（FEC）联合设计框架，以应对星座图失真并提升解码可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多天线无线系统中，如何系统性地将干扰作为有益信号加以利用，而非加以抑制？
• RQ2 为实现常见调制格式（如QAM和PSK）的相长干涉，需满足哪些数学条件？
• RQ3 如何设计基于优化的SLP方案，以在确保相长干涉的前提下最小化发射功率或平衡SINR？
• RQ4 在实际系统中实现SLP面临哪些实际挑战，特别是同步、SINR估计和硬件限制方面？
• RQ5 如何将SLP与现有物理层组件（如信道编码和波形设计）集成，以实现最优性能？

主要发现

• 符号级预编码通过在接收端对齐干扰实现显著的发射功率节省，数值结果表明其优于传统ZF和MRT预编码。
• CI的几何表征导出PM和SB问题的凸优化形式，使SLP在计算上可行且可扩展。
• 概念验证测试平台表明，SLP在真实MIMO环境中实现了可测量的性能提升，验证了其实际可行性。
• CI预编码系统中的SINR估计面临星座图失真挑战，外层和内层星座点的SINR不平衡，需开发新型估计方案。
• SLP、调制与FEC的联合优化至关重要，因为CI引起的星座图整形会影响对数似然比计算与译码器性能。
• 在分布式天线（DA）系统中，由于符号级预编码的存在，同步对时偏更加敏感，需开发新型同步技术。