[論文レビュー] On the Spectral and Energy Efficiencies of Full-Duplex Cell-Free Massive MIMO

Hieu V. Nguyen, Van‐Dinh Nguyen+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 47被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、現実的なハードウェア制約下でスペクトル効率とエネルギー効率を最大化するため、全デュプレックスセルフリー massive MIMO システムにおける電力制御、AP-UE 関連付け、AP 選択の共同最適化を提案する。ゼロフォーリング プリコーディングと新規のヒープベースのパイロット割り当てを活用することで、多項式時間収束を示す低複雑度の反復アルゴリズムを構築し、従来のスモールセルおよび集積 massive MIMO システムと比較して顕著な SE および EE の向上を達成する。

ABSTRACT

In-band full-duplex (FD) operation is practically more suited for short-range communications such as WiFi and small-cell networks, due to its current practical limitations on the self-interference cancellation. In addition, cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) is a new and scalable version of MIMO networks, which is designed to bring service antennas closer to end user equipments (UEs). To achieve higher spectral and energy efficiencies (SE-EE) of a wireless network, it is of practical interest to incorporate FD capability into CF-mMIMO systems to utilize their combined benefits. We formulate a novel and comprehensive optimization problem for the maximization of SE and EE in which power control, access point-UE (AP-UE) association and AP selection are jointly optimized under a realistic power consumption model, resulting in a difficult class of mixed-integer nonconvex programming. To tackle the binary nature of the formulated problem, we propose an efficient approach by exploiting a strong coupling between binary and continuous variables, leading to a more tractable problem. In this regard, two low-complexity transmission designs based on zero-forcing (ZF) are proposed. Combining tools from inner approximation framework and Dinkelbach method, we develop simple iterative algorithms with polynomial computational complexity in each iteration and strong theoretical performance guaranteed. Furthermore, towards a robust design for FD CF-mMIMO, a novel heap-based pilot assignment algorithm is proposed to mitigate effects of pilot contamination. Numerical results show that our proposed designs with realistic parameters significantly outperform the well-known approaches (i.e., small-cell and collocated mMIMO) in terms of the SE and EE. Notably, the proposed ZF designs require much less execution time than the simple maximum ratio transmission/combining.

研究の動機と目的

• 現実的なハードウェア制限下で、全デュプレックスセルフリー massive MIMO システムにおけるスペクトル効率とエネルギー効率を最大化する課題に対処すること。
• 混合整数非凸フレームワークにおいて、電力制御、アクセスポイント-ユーザ機器（AP-UE）関連付け、アクティブな AP 選択を共同最適化すること。
• 新規のヒープベースのパイロット割り当てアルゴリズムにより、残存自己干渉とパイロット混信を低減すること。
• 多項式時間収束を保証する理論的根拠が強い、低複雑度の反復アルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 現実的な消費電力モデルを組み込んだ、SE と EE の最大化のための混合整数非凸最適化問題を定式化する。
• 二値変数（AP 選択）と連続変数（電力制御）の強い結合性を活用し、問題をより取り扱いやすい形に再定式化する。
• 内挿近似フレームワークと Dinkelbach 法を適用して、各反復で多項式時間計算複雑度を達成する反復アルゴリズムを設計する。
• 下行リンクおよび上行リンク信号処理のための低複雑度のゼロフォーリングベースの送信設計を2つ提案する。
• 全デュプレックスセルフリー massive MIMO におけるパイロット混信の影響を低減するため、ヒープベースのパイロット割り当てアルゴリズムを導入する。
• 主成分分析による低ランク近似を用いて、チャネル推定およびプリコーディングにおける計算複雑度を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なハードウェア制約下で、全デュプレックスセルフリー massive MIMO システムにおけるスペクトル効率とエネルギー効率をどのように共同最大化できるか？
• RQ2 残存自己干渉とパイロット混信がシステム性能に与える影響は何か。それらはどのように低減できるか？
• RQ3 電力制御、AP-UE 関連付け、AP 選択の共同最適化は、従来のシステムと比較して顕著な SE および EE の向上をもたらすか？
• RQ4 混合整数非凸性を示す最適化問題に対して、低複雑度のアルゴリズムで効果的に対処できるか？
• RQ5 ZF ベースの設計は、最大比伝送/結合と比較して、SE、EE、および計算時間の観点でどの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• 提案された ZF ベースの設計は、従来のスモールセルおよび集積 massive MIMO システムと比較して、顕著に高いスペクトル効率とエネルギー効率を達成する。
• 数値結果から、提案アルゴリズムが、特に現実的なシステムパラメータ下で、既存手法を上回ることが示された。
• 提案されたヒープベースのパイロット割り当てはパイロット混信を効果的に低減し、システムの信頼性と性能を向上させる。
• 反復アルゴリズムは各反復で多項式時間複雑度を示し、最大比伝送/結合と比較して著しく短い実行時間を要する。
• 電力制御、AP-UE 関連付け、AP 選択の共同最適化によりスペクトル効率が顕著に向上し、有利な伝搬条件では利得が2倍に近い水準に達する。
• 内挿近似法および Dinkelbach 法を用いた理論的性能保証により、提示されたフレームワーク下で収束性と最適性が保証される。