[论文解读] A Greedy Algorithm of Data-Dependent User Selection for Fast Fading Gaussian Vector Broadcast Channels

Keigo Takeuchi, Tsutomu Kawabata|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种用于快速衰落高斯向量广播信道的、依赖于数据的用户选择（US）方案，采用迫零波束成形技术，其中用户选择同时依赖于信道状态信息和数据符号。通过一种贪心算法近似求解最优选择问题，迭代检测技术使用户检测无需反馈开销，与传统的依赖于数据的用户选择方案相比，该方案在能量效率、误比特率和和速率方面均有提升。

ABSTRACT

User selection (US) with Zero-forcing beamforming is considered in fast fading Gaussian vector broadcast channels with perfect channel state information (CSI) at the transmitter. A novel criterion for US is proposed, which depends on both CSI and the data symbols, while conventional criteria only depend on CSI. Since the optimization of US based on the proposed criterion is infeasible, a greedy algorithm of data-dependent US is proposed to perform the optimization approximately. An overhead issue arises in fast fading channels: On every update of US, the transmitter might inform each user whether he/she has been selected, using a certain fraction of resources. This overhead results in a significant rate loss for fast fading channels. In order to circumvent this overhead issue, iterative detection and decoding schemes are proposed on the basis of belief propagation. The proposed iterative schemes require no information about whether each user has been selected. The proposed US scheme is compared to a data-independent US scheme. The complexity of the two schemes is comparable to each other for fast fading channels. Numerical simulations show that the proposed scheme can outperform the data-independent scheme for fast fading channels in terms of energy efficiency, bit error rate, and achievable sum rate.

研究动机与目标

• 解决在快速衰落信道中频繁更新用户选择所需带来的高反馈开销问题。
• 通过引入数据符号信息，克服在快速衰落环境中依赖于数据的用户选择方案效率低下的问题。
• 设计一种低复杂度、实用的预编码方案，以在快速衰落向量广播信道中实现性能与复杂度的平衡。
• 通过基于信念传播设计的迭代接收机，实现无需显式反馈的用户检测。

提出的方法

• 提出一种依赖于数据的用户选择准则，结合信道状态信息与数据符号知识，以最小化有效干扰。
• 设计一种贪心算法，近似求解依赖于数据的用户选择中难以处理的优化问题，选择正交性高且预 cancel 多用户干扰的用户。
• 引入基于信念传播的迭代检测与解码方案，使用户能够推断其选择状态而无需显式反馈信令。
• 推导选择度量与波束成形权重的递归公式，以在每个时隙中实现高效的在线计算。
• 采用小块大小的块衰落模型，以减少干扰信号数量，增强预 cancel 的有效性。
• 基于等效高斯信道推导可达和速率的下界，以评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的依赖于数据的用户选择方案相比，依赖于数据的用户选择是否能在快速衰落向量广播信道中提升性能？
• RQ2 在快速衰落环境中，如何最小化频繁用户选择更新带来的反馈开销？
• RQ3 在迫零波束成形下，将数据符号信息引入用户选择中能带来多大的和速率增益？
• RQ4 迭代检测方案是否能使用户在无显式反馈的情况下确定其选择状态？
• RQ5 在快速衰落条件下，该方案的性能如何随块大小和用户数量变化？

主要发现

• 所提出的依赖于数据的用户选择方案在快速衰落信道中，相较于依赖于数据的用户选择方案，在能量效率、误比特率和可达和速率方面表现更优。
• 数值仿真结果表明，贪心算法以低复杂度实现了接近最优的性能，与传统的依赖于数据的用户选择方案相当。
• 迭代解码方案成功实现了无需反馈的用户检测，消除了与选择状态信令相关的开销。
• 在快速衰落系统中，和速率增益最为显著，原因在于每时隙干扰信号数量减少，且预 cancel 效果更佳。
• 性能增益源于将用户选择与数据符号知识相结合，使得干扰预 cancel 效果优于传统的ZF波束成形。
• 该方案在复杂度与性能之间实现了良好的折中，适用于实际的快速衰落系统。