[论文解读] Sequential and Incremental Precoder Design for Joint Transmission Network MIMO Systems with Imperfect Backhaul

Ming Ding, Jun Zou+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 23被引用 16

一句话总结

本文针对回传链路不完善的联合传输网络MIMO系统，提出一种顺序且增量的预编码器设计（SIP），通过基于参与概率优先优化服务与非服务基站的预编码器，实现迭代优化。该方案在实际回传约束条件下，显著优于自主全局预编码（AGP）的误比特率（BER）性能，尤其在部分基站因回传条件不佳而临时退出时表现更优。

ABSTRACT

In this paper, we propose a sequential and incremental precoder design for downlink joint transmission (JT) network MIMO systems with imperfect backhaul links. The objective of our design is to minimize the maximum of the sub-stream mean square errors (MSE), which dominates the average bit error rate (BER) performance of the system. In the proposed scheme,we first optimize the precoder at the serving base station (BS), and then sequentially optimize the precoders of non-serving BSs in the JT set according to the descending order of their probabilities of participating in JT. The BS-wise sequential optimization process can improve the system performance when some BSs have to temporarily quit the JT operations because of poor instant backhaul conditions. Besides, the precoder of an additional BS is derived in an incremental way, i.e., the sequentially optimized precoders of previous BSs are fixed, thus the additional precoder plays an incremental part in the multi-BS JT operations. An iterative algorithm is designed to jointly optimize the sub-stream precoder and sub-stream power allocation for each additional BS in the proposed sequential and incremental optimization scheme. Simulations show that, under the practical backhaul link conditions, our scheme significantly outperforms the autonomous global precoding (AGP) scheme in terms of BER performance.

研究动机与目标

• 解决当回传链路不完善且发生部分协作时，联合传输网络MIMO系统性能下降的问题。
• 克服自主全局预编码（AGP）的局限性，该方法在部分基站因回传约束而临时退出联合传输时性能显著下降。
• 设计一种可扩展的、动态的预编码器优化策略，即使在回传可用性波动时也能保持性能稳定。
• 通过固定先前预编码器，实现基站的增量添加，同时最小化性能损失。
• 在有限反馈条件下评估该方案，模拟真实世界中的码本反馈系统。

提出的方法

• 首先优化服务基站的预编码器，随后按参与概率从高到低的顺序，依次优化非服务基站的预编码器。
• 对于每个新增的基站，通过固定先前已优化的预编码器，实现预编码器的增量推导，以确保系统稳定性和增量增益。
• 采用迭代算法，联合优化每个新增基站的子流预编码器与功率分配。
• 优化目标为最小化最大子流均方误差（MSE），该指标直接影响系统BER性能。
• 通过将维纳滤波器替换为块对角矩阵，将方案扩展至多用户（UE）场景，以建模各用户接收机的处理过程。
• 仿真采用d=4的码本反馈机制，符合3GPP LTE-A标准，以评估在真实反馈约束下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 当基站动态加入或离开传输集时，回传链路不完善下联合传输网络MIMO系统的性能如何退化？
• RQ2 在部分基站因回传限制而临时退出联合传输时，顺序且增量的预编码设计是否仍能保持高性能？
• RQ3 在有限反馈与实际回传条件下，所提出的SIP方案与自主全局预编码（AGP）在BER与MSE方面有何对比？
• RQ4 SIP方案中，反馈的最优码本维度（d）是多少，可实现性能与反馈开销之间的最佳平衡？
• RQ5 SIP框架能否扩展至多用户场景，同时保持性能增益？

主要发现

• 在实际回传条件下，SIP方案在平均误比特率（BER）方面显著优于AGP方案。
• 即使在有限反馈条件下，性能增益依然保持，d=4被确定为性能与反馈开销之间的良好折中。
• 最大子流MSE得到有效最小化，从而直接提升了系统BER性能。
• 增量预编码设计在基站动态加入或离开联合传输集时，维持了系统稳定性和性能。
• 该方案在码本反馈系统下仍具鲁棒性，仿真结果表明BER退化可控，且对AGP的性能增益得以保持。
• 所提方法具有可扩展性，可适应多用户场景，尽管本研究未推导多用户预编码器优化的闭式解。