[论文解读] Error Probability Analysis and Power Allocation for Interference Exploitation Over Rayleigh Fading Channels

Abdelhamid Salem, Christos Masouros|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本论文首次对瑞利衰落信道中采用M-PSK调制的多用户MIMO（MU-MIMO）系统中的构造性干扰（CI）预编码进行了统计分析。推导了矩生成函数（MGF）和符号错误概率（SEP）的精确表达式与渐近表达式，实现了最优功率分配，相较于等功率分配可获得高达13 dB的SNR增益，相较于零 forcing（ZF）预编码可获得高达20 dB的SEP增益。

ABSTRACT

This paper considers the performance analysis of constructive interference (CI) precoding technique in multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems with a finite constellation phase-shift keying (PSK) input alphabet. Firstly, analytical expressions for the moment generating function (MGF) and the average of the received signal-to-noise-ratio (SNR) are derived. Then, based on the derived MGF expression the average symbol error probability (SEP) for the CI precoder with PSK signaling is calculated. In this regard, new exact and very accurate asymptotic approximation for the average SEP are provided. Building on the new performance analysis, different power allocation schemes are considered to enhance the achieved SEP. In the first scheme, power allocation based on minimizing the sum symbol error probabilities (Min-Sum) is studied, while in the second scheme the power allocation based on minimizing the maximum SEP (Min-Max) is investigated. Furthermore, new analytical expressions of the throughput and power efficiency of the CI precoding in MU-MIMO systems are also derived. The numerical results in this work demonstrate that, the CI precoding outperforms the conventional interference suppression precoding techniques with an up to 20dB gain in the transmit SNR in terms of SEP, and up to 15dB gain in the transmit SNR in terms of the throughput. In addition, the SEP-based power allocation schemes provide additional up to 13dB gains in the transmit SNR compared to the conventional equal power allocation scheme.

研究动机与目标

• 提供瑞利衰落信道中采用M-PSK调制的构造性干扰（CI）预编码MU-MIMO系统接收信噪比（SNR）的首次精确统计表征。
• 推导矩生成函数（MGF）和平均SNR的解析表达式，以支持CI预编码在M-PSK调制下性能的评估。
• 提出最小化总或最大符号错误概率（SEP）的功率分配方案，以提升系统可靠性。
• 推导CI预编码在MU-MIMO系统中吞吐量和功率效率的显式解析表达式。
• 从SEP、吞吐量和功率效率角度，评估CI预编码相较于传统零 forcing（ZF）预编码的性能增益。

提出的方法

• 推导了在瑞利衰落信道中采用M-PSK输入的CI预编码MU-MIMO系统的矩生成函数（MGF）和平均接收SNR的精确闭式表达式。
• 利用推导出的MGF计算精确的平均符号错误概率（SEP），并提供了高精度的SEP渐近近似。
• 提出两种功率分配方案：最小总和（Min-Sum，最小化总SEP）和最小最大（Min-Max，最小化最大SEP），以改善误码性能。
• 基于CI预编码模型和信道统计特性，推导了系统吞吐量和功率效率的显式解析表达式。
• 通过在不同SNR范围、调制阶数和系统配置下进行数值仿真，验证了分析结果的准确性。
• 与传统的ZF预编码和等功率分配方案进行对比，量化了在SEP、吞吐量和功率效率方面的性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在瑞利衰落信道中，采用M-PSK调制的CI预编码MU-MIMO系统的接收SNR的精确统计分布是什么？
• RQ2 CI预编码在M-PSK调制下平均符号错误概率（SEP）的渐近近似有多精确？
• RQ3 基于最小化总SEP或最大SEP的功率分配方案，相较于等功率分配，能在多大程度上提升系统性能？
• RQ4 在不同SNR水平和调制阶数下，CI预编码与传统ZF预编码在SEP、吞吐量和功率效率方面有何对比？
• RQ5 基站天线数量和发射功率如何影响MU-MIMO系统中CI预编码的功率效率？

主要发现

• CI预编码在符号错误概率（SEP）方面，相较于传统的ZF预编码，可实现高达20 dB的发射SNR增益。
• 所提出的Min-Sum和Min-Max功率分配方案在SEP性能上，相较于等功率分配，可额外获得高达13 dB的SNR增益。
• 在所有调制阶数下，CI预编码的吞吐量性能相较于ZF预编码，在给定目标吞吐量下可实现高达15 dB的发射SNR增益。
• 在低SNR和基站天线数较少时，低阶调制（如QPSK）的功率效率更高；而在高SNR和大规模天线阵列下，高阶调制（如32-PSK）的功率效率更优。
• SEP的渐近近似非常精确，尤其在高SNR区域，可实现无需蒙特卡洛仿真即可可靠预测系统性能。
• 随着用户数或基站天线数的增加，CI预编码的SEP性能持续改善，表明其在密集多用户场景中具备良好的可扩展性和鲁棒性。