[论文解读] Constructive Interference in Linear Precoding Systems: Power Allocation and User Selection

Dimitris Christopoulos, Symeon Chatzinotas+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种针对MIMO广播信道中构造性干扰零 forcing（CIZF）预编码的优化功率分配与低复杂度用户选择算法。通过选择性保留有益的多用户干扰，并采用半并行用户选择（SPUS）启发式方法，系统相较于传统方法实现了高达2 dB的SNR增益，性能接近最优选择且公平性损失最小。

ABSTRACT

The exploitation of interference in a constructive manner has recently been proposed for the downlink of multiuser, multi-antenna transmitters. This novel linear precoding technique, herein referred to as constructive interference zero forcing (CIZF) precoding, has exhibited substantial gains over conventional approaches; the concept is to cancel, on a symbol-by-symbol basis, only the interfering users that do not add to the intended signal power. In this paper, the power allocation problem towards maximizing the performance of a CIZF system with respect to some metric (throughput or fairness) is investigated. What is more, it is shown that the performance of the novel precoding scheme can be further boosted by choosing some of the constructive multiuser interference terms in the precoder design. Finally, motivated by the significant effect of user selection on conventional, zero forcing (ZF) precoding, the problem of user selection for the novel precoding method is tackled. A new iterative, low complexity algorithm for user selection in CIZF is developed. Simulation results are provided to display the gains of the algorithm compared to known user selection approaches.

研究动机与目标

• 解决构造性干扰零 forcing（CIZF）预编码系统中缺乏功率分配优化的问题，此前该系统假设采用等功率分配。
• 通过联合优化功率分配与用户选择，提升CIZF系统的频谱效率与公平性。
• 提出一种低复杂度、迭代式的用户选择算法，接近最优性能，且无需穷举搜索。
• 研究用户选择对CIZF性能的影响，特别是对构造性干扰利用的影响。
• 评估在优化功率与用户选择下，CIZF系统中和速率最大化与公平性之间的权衡。

提出的方法

• 提出一种功率分配策略，通过凸优化技术最大化和速率（吞吐量）或最小用户速率（公平性）。
• 提出一种新颖的半并行用户选择（SPUS）算法，基于信道增益与实值交叉相关矩阵元素迭代选择用户。
• 使用矩阵 $\mathbf{G} = \text{diag}(\mathbf{s}) \cdot \mathfrak{Re}(R) \cdot \text{diag}(\mathbf{s})$ 建模构造性干扰效应，并指导用户选择。
• 应用贪心选择规则：在每一步中，选择对所选用户有效信道增益贡献最大的用户，同时保持正交性约束。
• 实施剪枝机制以排除已选用户，并迭代构建用户集 $\mathcal{S}_{(i)}$。
• 在最后一步应用阈值处理，将输出预编码器中的负交叉相关项设为零，确保仅保留构造性干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 优化功率分配对CIZF预编码系统中和速率与公平性性能有何影响？
• RQ2 用户选择如何影响CIZF预编码性能？能否通过低复杂度算法实现接近最优的结果？
• RQ3 是否可以在无需完整信道状态信息或复杂信令的实用非线性预编码框架中利用构造性干扰？
• RQ4 在CIZF系统中，结合功率分配与用户选择时，和速率最大化与公平性之间的权衡如何？
• RQ5 用户池大小如何影响CIZF系统中用户选择带来的性能增益？

主要发现

• 在CIZF预编码中优化功率分配相较于等功率分配可实现超过2 dB的SNR增益，显著提升和速率性能。
• 所提出的SPUS算法在有限用户池（如K=12）下，性能与最优用户选择相差不足1 dB。
• 当与最大最小公平性功率分配结合时，SPUS算法保持了用户速率的低方差，表明对公平性的妥协极小。
• 系统性能在小用户池（如K=12）时趋于饱和，表明大多数增益已在实际规模的用户集合中实现。
• 仿真结果证实，构造性干扰可在线性预编码中有效利用，且用户选择在最大化其效益方面起着关键作用。
• SPUS算法相比穷举搜索显著降低了复杂度，同时保持接近最优的性能，适用于实时实现。