[論文レビュー] Outage behavior of slow fading channels with power control using noisy quantized CSIT

Siavash Ekbatani, Farzad Etemadi+1 more|ArXiv.org|Apr 4, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、送信機にノイズを含む量子化されたチャネル状態情報（CSIT）を用いた、複数アンテナを備えた遅延フェージングチャネルにおける、パワー制御を伴う停電動作を調査する。ノイズを含むフィードバックでさえも、最適量子化器は円形構造を維持し、高SNRにおいてフィードバック誤り確率が0に収束しない限り、送信アンテナ数に等しい diversity gain を達成することを証明する。主な結果は、フィードバック誤りが非ゼロかつ消失しない場合、ノイズを含むフィードバックは diversity gain を、CSITなしのシステムと同等に制限することである。

ABSTRACT

The topic of this study is the outage behavior of multiple-antenna slow fading channels with quantized feedback and partial power control. A fixed-rate communication system is considered. It is known from the literature that with error-free feedback, the outage-optimal quantizer for power control has a circular structure. Moreover, the diversity gain of the system increases polynomially with the cardinality of the power control codebook. Here, a similar system is studied, but when the feedback link is error-prone. We prove that in the high-SNR regime, the optimal quantizer structure with noisy feedback is still circular and the optimal Voronoi regions are contiguous non-zero probability intervals. Furthermore, the optimal power control codebook resembles a channel optimized scalar quantizer (COSQ), i.e., the Voronoi regions merge with erroneous feedback information. Using a COSQ, the outage performance of the system is superior to that of a no-feedback scheme. However, asymptotic analysis shows that the diversity gain of the system is the same as a no-CSIT scheme if there is a non-zero and non-vanishing feedback error probability.

研究の動機と目的

• ノイズを含む量子化フィードバックという実用的制約下での遅延フェージングMIMOチャネルの停電動作を分析すること。
• フィードバックに誤りが生じる場合の最適パワー制御コードブック構造を特定すること。
• 特に高SNR領域において、ノイズを含むフィードバック下でのこのようなシステムの diversity gain を特徴づけること。
• フィードバックの不完全性が diversity gain を保持するか、あるいは低下させる条件を確立すること。

提案手法

• フィードバックリンクを定常ビット誤り確率を持つ離散的記憶なしチャネル（DMC）としてモデル化する。
• ブロックフェージングおよび準静的チャネル仮定の下、固定レート通信システムを用いる。
• 送信機における平均パワー制約下での停電最小化問題を解く。
• ノイズを含むフィードバック下でも、最適量子化器構造が円形であり、Voronoi領域が連続した非ゼロ確率区間を形成することを証明する。
• 高SNRにおける漸近的解析を用いて、SNR → ∞ における停電確率の極限を用いて diversity gain を導出する。
• CSITなしおよび誤りなしフィードバックのケースと比較することで、diversityの上限を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィードバックがノイズを含み、量子化されている場合、パワー制御コードブックの最適構造は何か？
• RQ2 ノイズを含むフィードバックは、パワー制御を伴う遅延フェージングMIMOシステムにおける diversity gain にどのように影響を与えるか？
• RQ3 誤りなしフィードバック下で最適である円形量子化器構造は、ノイズを含むフィードバック下でも最適のままであるか？
• RQ4 フィードバック誤り確率が非ゼロである場合、CSITなしのシステムより高い diversity gain を達成できるか？
• RQ5 高SNR領域におけるノイズを含むフィードバック下での停電確率の漸近的挙動は何か？

主な発見

• ノイズを含むフィードバック下でも、最適量子化器構造は円形を維持し、連続したVoronoi領域を有する。
• 最適パワー制御コードブックは、Voronoi領域が誤ったフィードバック情報と融合するチャネル最適化スカラー量子化器（COSQ）に類似している。
• 高SNR領域において、システムの diversity gain は送信アンテナ数 rt で上界が制限される。
• フィードバック誤り確率が非ゼロであり、SNRが増加しても消失しない場合、diversity gain はCSITなしのシステムと同等になる。
• すべてのパワーレベルをSNRに設定する仮想的なコードブックを用いることで、d = rt の diversity gain が達成可能であり、上界がタイトであることを示した。
• ノイズを含むフィードバックの下では、停電性能はフィードバックなしの手法を上回るが、diversity gain はフィードバック誤り確率によって本質的に制限される。