[論文レビュー] Interference-Free OFDM: Rethinking OFDM for Interference Networks with Inter-Symbol Interference

Namyoon Lee|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、送信側にチャネル状態情報（CSIT）が存在しない状況下でも、符号間干渉（ISI）を伴う干渉チャネルにおいて、Kユーザーに対して線形の和スペクトル効率スケーリングを達成する、新たなマルチキャリア方式である干渉フリーOFDM（IF-OFDM）を提案する。IF-OFDMは、目的リンクと干渉リンクのインパルス応答長さの違いを活用し、CSITが不要な状態で干渉対合を実現するため、循環行列と非循環行列の構造を用い、和自由度（DoF）をK/2に達成する。

ABSTRACT

This paper considers a $K$-user single-input-single-output interference channel with inter-symbol interference (ISI), in which the channel coefficients are assumed to be linear time-invariant with finite-length impulse response. The primary finding of this paper is that, with no channel state information at a transmitter (CSIT), the sum-spectral efficiency can be made to scale linearly with $K$, provided that the desired links have longer impulse response than do the interfering links. This linear gain is achieved by a novel multi-carrier communication scheme which we call extit{interference-free orthogonal frequency division multiplexing (IF-OFDM)}. Furthermore, when a transmitter is able to learn CSIT from its paired receiver only, a higher sum-spectral efficiency can be achieved by a two-stage transmission method that concatenates IF-OFDM and vector coding based on singular value decomposition with water-filling power allocation. A major implication of the derived results is that separate encoding across subcarriers per link is sufficient to linearly increase the sum-spectral efficiency with $K$ in the interference channel with ISI. Simulation results support this claim.

研究の動機と目的

• 送信側にチャネル状態情報（CSIT）が存在しない状況下で、符号間干渉（ISI）を伴うKユーザー干渉チャネルにおいて、高いスペクトル効率を達成するという根本的課題に対処すること。
• 通常、グローバルかつ即時のCSITを必要とする干渉対合（IA）の実用的制限を克服し、CSITが存在しない状況下でも線形和DoFスケーリングを実現すること。
• 各リンクごとにサブキャリアごとに別々に符号化することが、ISIを伴う干渉チャネルでKに対して線形スペクトル効率スケーリングを達成するのに十分であることを示すこと。
• 大規模パスロスモデルを用いて、部分的なISIをノイズとして扱うことが、マルチセル環境において実現可能であるかを検討すること。
• 限られたCSITを想定したMIMOおよび協調セルラーネットワークへの応用への基盤を構築すること。

提案手法

• 循環プレフィックスを用いて線形畳み込みを循環畳み込みに変換することで、サブキャリアごとの信号分解を可能にする、送信方式として干渉フリーOFDM（IF-OFDM）を提案する。
• 目的リンクには循環行列構造、干渉リンクには非循環行列構造を用いることで、チャネル係数の知識がなくても相対的な干渉対合を実現する。
• 特に、目的リンクのインパルス応答が干渉リンクよりも長いという、目的リンクと干渉リンクの構造的差異に依存して干渉対合を達成する。
• 部分的なCSITが利用可能な場合に適用する二段階送信法を採用：まずIF-OFDMを適用し、その後に特異値分解（SVD）とウォーターフィリング方式のパワー割り当てを適用してスペクトル効率をさらに向上させる。
• 目的リンクのインパルス応答が干渉リンクよりも短い場合、長めの干渉チャネルタップの末尾を有効なノイズとして扱い、パスロスの減衰を活用してノイズ功率を低減する。
• 漸近的解析を用いて和自由度（DoF）を分析し、外挙動の上限を導出し、提案手法の最適性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信側にCSITが存在しない状況下で、ISIを伴うKユーザーSISO干渉チャネルにおいて、Kに対して線形の和スペクトル効率スケーリングを達成できるか？
• RQ2 チャネルインパルス応答の構造的差異を活用することで、即時的またはグローバルなCSITを必要とせずに干渉対合を実現できるか？
• RQ3 CSITが欠如している状況下で、ISIを伴うKユーザーSISO干渉チャネルに対して、提案されたIF-OFDM方式を適用した際の和DoFは何か？
• RQ4 パスロスに依存するチャネルゲインを有するマルチセルシステムにおいて、ISIの一部を有効なノイズとして扱うことは性能にどのように影響するか？
• RQ5 提案されたIF-OFDMフレームワークは、MIMO干渉チャネルへと拡張可能であり、ユーザー数およびアンテナ数の両方に対してDoFスケーリングを達成できるか？

主な発見

• CSITが存在しない状況下で、ISIを伴うKユーザーSISO干渉チャネルの和DoFはK/2に達し、これは提案されたIF-OFDM方式によって実現される。
• IF-OFDMは、目的リンクと干渉リンクのインパルス応答長さの差を活用することで、Kに対して線形の和スペクトル効率スケーリングを達成する。
• 循環行列と非循環行列の構造的差異を介して、チャネル係数の知識が不要な状態で干渉対合を実現する。
• 部分的なCSITが利用可能な場合、IF-OFDMとSVDを組み合わせた二段階法により、IF-OFDM単体よりも高い和スペクトル効率が達成される。
• 目的リンクが受信機に近い場合、長めの干渉タップをノイズとして扱う有効なノイズ功率は無視できるほど小さくなり、セルセンターのマルチセル環境においてこのアプローチが妥当であることが裏付けられる。
• 独立したサブチャネル係数の仮定下で導出された和DoFのK/2は、外挙動の上限と一致しており、CSITが欠如している状況下で本手法が最適であることが示される。