[论文解读] Beyond Dirty Paper Coding for Multi-Antenna Broadcast Channel with Partial CSIT: A Rate-Splitting Approach

Yijie Mao, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 46被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新型多天线广播信道传输策略——脏纸编码率分裂（DPCRS），适用于部分信道状态信息反馈（CSIT）场景。通过将用户消息拆分为公共部分和私有部分，并对私有流应用DPC，DPCRS在速率区域上优于传统DPC和线性预编码RS，同时对CSIT不准确性、网络负载变化和用户部署差异具有更强的鲁棒性。

ABSTRACT

Imperfect Channel State Information at the Transmitter (CSIT) is inevitable in modern wireless communication networks, and results in severe multi-user interference in multi-antenna Broadcast Channel (BC). While the capacity of the multi-antenna (Gaussian) BC with perfect CSIT is known and achieved by Dirty Paper Coding (DPC), the capacity and the capacity-achieving strategy of the multi-antenna BC with imperfect CSIT remain unknown. Conventional approaches therefore rely on applying communication strategies designed for perfect CSIT to the imperfect CSIT setting. In this work, we break this conventional routine and make two major contributions. First, we show that linearly precoded Rate-Splitting (RS), relying on the split of messages into common and private parts and linear precoding at the transmitter, and successive interference cancellation at the receivers, can achieve larger rate regions than DPC in multi-antenna BC with partial CSIT. Second, we propose a novel achievable scheme, denoted as Dirty Paper Coded Rate-Splitting (DPCRS), that relies on RS to split the user messages into common and private parts, and DPC to encode the private parts. We show that the rate region achieved by DPCRS in Multiple-Input Single-Output (MISO) BC with partial CSIT is enlarged beyond that of conventional DPC and that of linearly precoded RS. Gaining benefits from the capability of RS to partially decode the interference and partially treat interference as noise, DPCRS is less sensitive to CSIT inaccuracies, networks loads and user deployments compared with DPC and other existing transmission strategies. The proposed DPCRS acts as a new benchmark and the best-known achievable strategy for multi-antenna BC with partial CSIT.

研究动机与目标

• 解决在无法获得完美CSIT时多天线广播信道的性能差距问题，这是实际应用中的常见限制。
• 克服传统DPC对CSIT不准确性高度敏感的问题，其在反馈不完善时性能显著下降。
• 从零开始设计适用于部分CSIT场景的传输策略，而非对完美CSIT策略进行适应性修改。
• 在现实的CSIT约束下，提升多用户MIMO系统的频谱效率和鲁棒性。
• 证明将率分裂与DPC结合（即DPCRS）可获得优于DPC和线性预编码RS的性能。

提出的方法

• 在发射端将用户消息拆分为公共流和私有流，使接收端可通过逐次干扰 cancellation 实现干扰管理。
• 对私有消息流应用脏纸编码（DPC），以实现有效预编码，从而抑制干扰。
• 对公共消息使用线性预编码，以实现干扰对齐并提升在部分CSIT下的鲁棒性。
• 利用率分裂能够部分解码干扰并将剩余部分视为噪声的能力，降低对CSIT误差的敏感度。
• 基于文献[6]的方法推导可达速率的下界，考虑信道估计误差和信道知识不完善的影响。
• 通过蒙特卡洛仿真（100次信道实现）比较DPC、RS和DPCRS的遍历速率区域，分析不同SNR和CSIT质量下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在部分CSIT条件下，结合DPC的率分裂是否能在可达速率区域上优于传统DPC？
• RQ2 所提出的DPCRS方案与线性预编码RS及传统DPC相比，在CSIT不准确情况下的鲁棒性如何？
• RQ3 在MISO广播信道中，将DPC与率分裂结合是否能获得比任一策略单独使用更大的速率区域？
• RQ4 网络负载和用户部署方式如何影响DPCRS相较于DPC和RS的性能增益？
• RQ5 在部分CSIT场景下，所提出的DPCRS是否能以更低的硬件和计算复杂度实现比DPC更高的频谱效率？

主要发现

• 在部分CSIT的MISO BC中，DPCRS实现的遍历速率区域大于传统DPC和线性预编码RS。
• 当CSIT不准确程度足够高时，线性预编码RS优于DPC，表明其在反馈不完善时具有更强的鲁棒性。
• RS相比DPC在速率区域上的改进，其所需硬件和计算复杂度显著低于DPC。
• 与DPC或其他现有策略相比，DPCRS对CSIT不准确性、网络负载和用户部署变化的敏感度更低。
• 在所有测试场景中，DPCRS的可达速率下界始终高于DPC和RS。
• 在低SNR区域（例如σ² = 0.09），尽管DPC在完美CSIT下具有理论优势，线性预编码RS的遍历速率区域仍超过DPC。