[论文解读] Beamforming on the MISO interference channel with multi-user decoding capability

Zuleita Ho, David Gesbert+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型波束成形策略，用于具有多用户干扰解码能力（IDC）的MISO干扰信道，其中发射端可有意增强干扰以提升接收端的解码性能。论文证明了最优波束成形波束始终为秩一，并推导出最大比率传输（MRT）最优性条件，从而提出一种简单算法，在某些场景下可实现最大和速率，而在其他场景下则表现次优。

ABSTRACT

This paper considers the multiple-input-single-output interference channel (MISO-IC) with interference decoding capability (IDC), so that the interference signal can be decoded and subtracted from the received signal. On the MISO-IC with single user decoding, transmit beamforming vectors are classically designed to reach a compromise between mitigating the generated interference (zero forcing of the interference) or maximizing the energy at the desired user. The particularly intriguing problem arising in the multi-antenna IC with IDC is that transmitters may now have the incentive to amplify the interference generated at the non-intended receivers, in the hope that Rxs have a better chance of decoding the interference and removing it. This notion completely changes the previous paradigm of balancing between maximizing the desired energy and reducing the generated interference, thus opening up a new dimension for the beamforming design strategy. Our contributions proceed by proving that the optimal rank of the transmit precoders, optimal in the sense of Pareto optimality and therefore sum rate optimality, is rank one. Then, we investigate suitable transmit beamforming strategies for different decoding structures and characterize the Pareto boundary. As an application of this characterization, we obtain a candidate set of the maximum sum rate point} which at least contains the set of sum rate optimal beamforming vectors. We derive the Maximum-Ratio-Transmission (MRT) optimality conditions. Inspired by the MRT optimality conditions, we propose a simple algorithm that achieves maximum sum rate in certain scenarios and suboptimal, in other scenarios comparing to the maximum sum rate.

研究动机与目标

• 解决MISO干扰信道中的范式转变，即干扰可被解码并消除，而不仅限于抑制。
• 研究当接收端可解码并减去干扰时，波束成形应如何设计，从而改变传统中对信号功率与干扰抑制之间的权衡。
• 表征在不同解码结构下和速率区域的帕累托边界，并识别最优波束成形策略。
• 确定在帕累托最优性与和速率最大化条件下，发射预编码器的最优秩。
• 基于MRT最优性条件，开发一种实用算法，可在特定信道条件下实现高和速率。

提出的方法

• 证明在帕累托最优性与和速率最大化下，最优发射预编码器始终为秩一，无论用户数或天线数如何。
• 分析不同干扰解码结构对波束成形设计的影响，特别关注解码能力如何改变传输激励。
• 推导在何种条件下最大比率传输（MRT）可实现特定场景下的最大和速率。
• 提出一种简单波束成形算法，利用MRT最优性条件，在不同信道条件下实现最优或近似最优和速率。
• 通过分析在干扰解码能力下用户速率之间的权衡，表征和速率区域的帕累托边界。
• 使用秩一波束成形向量来建模在期望信号增益与受控干扰注入之间实现平衡的传输策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 在帕累托最优性与和速率最大化条件下，具有多用户干扰解码能力的MISO干扰信道中，发射预编码器的最优秩是什么？
• RQ2 接收端具备解码并减去干扰的能力，如何改变波束成形设计中的基本权衡，与传统干扰避免方法相比？
• RQ3 在具有IDC的MISO-IC中，何种信道条件可使最大比率传输（MRT）实现最大和速率？
• RQ4 基于MRT最优性条件的简单波束成形算法是否可在不同干扰场景下实现近似最优和速率性能？
• RQ5 当接收端具备干扰解码能力时，和速率区域的帕累托边界具有何种结构？

主要发现

• 在帕累托最优性与和速率最大化下，最优发射预编码器始终为秩一，这显著简化了波束成形设计。
• 若接收端可解码并减去干扰，发射端可通过有意增强干扰获益，从而逆转传统波束成形中抑制干扰的激励机制。
• 最大比率传输（MRT）条件在特定信道配置下，既是实现最大和速率的必要条件，也是充分条件。
• 基于MRT最优性条件提出的算法，在满足MRT条件的场景下可实现最大和速率。
• 在MRT条件不成立的场景下，该算法仍能实现次优但实用的和速率性能。
• 在不同解码结构下，和速率区域的帕累托边界已完全表征，从而可实现用户速率之间的最优权衡设计。