[论文解读] Multi-Cell Interference Exploitation: A New Dimension in Cell Coordination

Zhongxiang Wei, Christos Masouros+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 33被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的多小区协作框架，通过建设性地利用小区间与小区内干扰来最小化传输功率。通过将协作级别从完全共享数据/信道状态信息（CSI）到仅使用统计CSI进行分类，该方法在协作波束成形（CBF）和CoMP的基础上实现了显著的节能效果，且在CSI不确定性下具备鲁棒优化能力。

ABSTRACT

In this paper, we propose a series of novel coordination schemes for multi-cell downlink communication. Starting from full base station (BS) coordination, we first propose a fully-coordinated scheme to exploit beneficial effects of both inter-cell and intra-cell interference, based on sharing both channel state information (CSI) and data among the BSs. To reduce the coordination overhead, we then propose a partially-coordinated scheme where only intra-cell interference is designed to be constructive while inter-cell is jointly suppressed by the coordinated BSs. Accordingly, the coordination only involves CSI exchange and the need for sharing data is eliminated. To further reduce the coordination overhead, a third scheme is proposed, which only requires the knowledge of statistical inter-cell channels, at the cost of a slight increase on the transmission power. For all the proposed schemes, imperfect CSI is considered. We minimize the total transmission power in terms of probabilistic and deterministic optimizations. Explicitly, the former statistically satisfies the users' signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) while the latter guarantees the SINR requirements in the worst case CSI uncertainties. Simulation verifies that our schemes consume much lower power compared to the existing benchmarks, i.e., coordinated multi-point (CoMP) and coordinated-beamforming (CBF) systems, opening a new dimension on multi-cell coordination.

研究动机与目标

• 解决密集异构网络中小区间与小区内干扰作为性能限制因素的挑战。
• 通过将干扰转化为有用信号能量，克服传统CoMP与CBF的局限性。
• 通过逐步减少数据共享来降低协作开销，同时在CSI不确定性下保持鲁棒性能。
• 在非完美CSI条件下，通过概率与确定性鲁棒优化最小化总传输功率。
• 通过提出从完全到统计CSI交换的多种协作级别方案，实现实际部署的可行性。

提出的方法

• 提出Full-CI-Prob/Det：通过共享CSI与数据实现完全协作，以建设性地利用小区间与小区内干扰。
• 引入Partial-CI-Prob/Det：仅通过CSI交换进行协作，构建小区内干扰同时抑制小区间干扰。
• 开发Stat-CI：仅使用统计小区间CSI，消除回传开销，代价是功率略有增加。
• 应用概率与确定性鲁棒优化以处理CSI估计误差，确保SINR要求得到满足。
• 基于建设性干扰原理设计预编码，使干扰在目标接收端实现相位对齐以实现相长叠加。
• 采用凸优化技术求解在SINR约束与CSI不确定性模型下的功率最小化问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多小区下行系统中，能否将小区间与小区内干扰作为建设性信号加以利用，而非作为噪声处理？
• RQ2 如何在保持或提升频谱与能量效率的同时降低协作开销？
• RQ3 在干扰利用方案中，性能增益与协作开销之间的权衡关系如何？
• RQ4 如何在非完美CSI条件下实现鲁棒的功率最小化，以确保可靠的SINR性能？
• RQ5 在协作传输中，使用统计CSI而非瞬时CSI可实现多大的性能增益？

主要发现

• Full-CI-Prob/Det方案实现了最低的传输功率，优于使用完美CSI的传统CoMP方案。
• Partial-CI-Prob/Det方案将5个基站的协作开销降低至0.5 Kb，同时在能量效率方面仍优于基于CBF的方案。
• Stat-CI方案在数据共享零回传开销下实现了合理的功率消耗，适用于高速移动或回传受限的场景。
• 概率鲁棒优化可确保以高概率（例如δ = 0.99）满足SINR要求，而确定性优化则保证最坏情况下的性能。
• 所有提出的方案由于采用类似广播的预编码结构，计算复杂度较低，支持快速收敛。
• 仿真结果证实，与基准CoMP和CBF系统相比，所有方案均实现了显著的节能效果，尤其在CSI不确定性条件下更为明显。