[论文解读] Flexible Backhaul Design and Degrees of Freedom for Linear Interference Networks

Aly El Gamal, Venugopal V. Veeravalli|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出了一种线性干扰网络的灵活回传设计，旨在在平均发送端数量约束 B 下最大化自由度（DoF）。通过允许非对称消息分配——即部分消息分配给超过 B 个发送端，另一些则分配给少于 B 个发送端——最优方案仅使用迫零波束成形，即可实现渐近用户自由度为 (4B−1)/(4B)，优于以往采用均匀发送端数量约束的方案。

ABSTRACT

The considered problem is that of maximizing the degrees of freedom (DoF) in cellular downlink, under a backhaul load constraint that limits the number of messages that can be delivered from a centralized controller to the base station transmitters. A linear interference channel model is considered, where each transmitter is connected to the receiver having the same index as well as one succeeding receiver. The backhaul load is defined as the sum of all the messages available at all the transmitters normalized by the number of users. When the backhaul load is constrained to an integer level B, the asymptotic per user DoF is shown to equal (4B-1)/(4B), and it is shown that the optimal assignment of messages to transmitters is asymmetric and satisfies a local cooperation constraint and that the optimal coding scheme relies only on zero-forcing transmit beamforming. Finally, an extension of the presented coding scheme is shown to apply for more general locally connected and two-dimensional networks.

研究动机与目标

• 在回传负载约束下最大化蜂窝下行链路的自由度（DoF），该约束限制了每个消息的平均发送端数量。
• 分析灵活消息分配（即各消息的发送端数量可变）对线性干扰网络中 DoF 性能的影响。
• 证明在所提出的回传约束下，仅使用迫零波束成形即可实现最优 DoF，无需干扰对齐。
• 将线性网络中的洞察推广至更一般的局部连接及二维干扰网络。
• 表明局部协作约束（即发送端仅与附近接收端协作）在大规模网络中足以实现最优 DoF。

提出的方法

• 将回传负载约束定义为平均发送端数量 B，允许不同消息在发送端数量上存在差异。
• 采用一种迫零波束成形方案，仅通过线性预编码即可在非期望接收端对齐干扰。
• 设计一种非对称消息分配策略，使部分消息分配给超过 B 个发送端，另一些则分配给少于 B 个，同时满足平均约束。
• 通过构造一种编码方案，证明在回传约束下可实现该界，从而证明渐近用户 DoF 为 (4B−1)/(4B)。
• 通过将网络分解为非干扰的线性子网络，并应用先前工作中最优方案的凸组合，将该方案扩展至二维网络。
• 证明在大规模网络中，仅通过局部协作（即发送端仅与邻近接收端协作）即可实现最优 DoF。

实验结果

研究问题

• RQ1 在平均回传负载约束 B 下，线性干扰网络中可实现的最大自由度（DoF）是多少？
• RQ2 在具有可变发送端数量的灵活回传设计下，仅使用迫零波束成形能否实现最优 DoF？
• RQ3 与施加均匀最大发送端数量约束的先前方案相比，所提方案的性能如何？
• RQ4 线性网络中的洞察是否可推广至具有局部连通性的更一般二维干扰网络？
• RQ5 在所提出的回传模型下，局部协作是否足以在大规模干扰网络中实现最优 DoF？

主要发现

• 在平均回传负载约束 B 下，渐近用户 DoF 为 (4B−1)/(4B)，严格高于在均匀最大发送端数量约束下实现的 (2B)/(2B+1) DoF。
• 最优方案仅使用迫零波束成形，无需符号扩展或干扰对齐。
• 消息分配是非对称的：部分消息分配给超过 B 个发送端，另一些则分配给少于 B 个，同时保持平均约束。
• 通过平衡高分配与低分配消息，回传负载约束得以满足，从而实现高于均匀分配方案的 DoF。
• 对于具有局部连通性的二维网络，在回传负载约束 B=1 下，可通过迫零波束成形与子网络分解实现用户 DoF 为 5/9。
• 通过将针对最大发送端数量约束下优化的方案进行凸组合，可在一般网络中实现线性网络的最优 DoF。