[论文解读] Imperfect and Unmatched CSIT is Still Useful for the Frequency Correlated MISO Broadcast Channel

Chenxi Hao, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 5被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新颖的传输方案，结合了迫零波束成形（ZFBF）与Maddah-Ali-Tse（MAT）方案，在存在非完美且不匹配的信道状态信息（CSIT）的两子带频相关MISO广播信道中，实现了DoF区域。该方案根据CSIT质量参数化地实现了DoF区域，弥合了ZFBF与MAT之间的性能差距，每个用户均可实现$\frac{2 + \alpha}{3}$的DoF，其中$\alpha$反映了CSIT质量。

ABSTRACT

Since Maddah-Ali and Tse showed that the completely stale transmitter-side channel state information (CSIT) still benefits the Degrees of Freedom (DoF) of the Multiple-Input-Multiple-Output (MISO) Broadcast Channel (BC), there has been much interest in the academic literature to investigate the impact of imperfect CSIT on \emph{DoF} region of time correlated broadcast channel. Even though the research focus has been on time correlated channels so far, a similar but different problem concerns the frequency correlated channels. Indeed, the imperfect CSIT also impacts the DoF region of frequency correlated channels, as exemplified by current multi-carrier wireless systems. This contribution, for the first time in the literature, investigates a general frequency correlated setting where a two-antenna transmitter has imperfect knowledge of CSI of two single-antenna users on two adjacent subbands. A new scheme is derived as an integration of Zero-Forcing Beamforming (ZFBF) and the scheme proposed by Maddah-Ali and Tse. The achievable DoF region resulted by this scheme is expressed as a function of the qualities of CSIT.

研究动机与目标

• 研究非完美且不匹配的信道状态信息（CSIT）对频相关MISO广播信道中自由度（DoF）区域的影响。
• 填补现有文献的空白，即仅关注时相关信道，通过分析具有任意CSIT质量的两子带频相关场景。
• 设计一种新颖的传输策略，将迫零波束成形（ZFBF）与MAT方案相结合，以在非完美CSIT下提升DoF性能。
• 推导出作为CSIT质量函数的可实现DoF区域，特别是在ZFBF与MAT单独使用均非最优的区域。

提出的方法

• 提出一种结合ZFBF与MAT方案的混合传输方案，通过预编码和逐次干扰消除（SIC）实现干扰消除。
• 设计一种信令结构，其中私有符号在子带之间交替传输，公共消息在子带间重用以利用信道相关性。
• 引入三阶段传输过程：（1）私有符号传输，（2）利用所听干扰传输公共消息，（3）基于SIC的解码并跨子带分配功率。
• 使用功率分配参数$\alpha$和$\beta$分别控制私有符号和公共消息的传输，其中$\alpha \in [0, \beta]$。
• 采用一种解码策略，用户首先解码公共消息，然后解码私有符号，利用SIC消除干扰。
• 通过分析信噪比$P$趋于无穷时和速率的渐近缩放特性，推导出DoF区域，使用极限$\lim_{P \to \infty} \frac{\log R}{\log P} = \text{DoF}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 非完美且不匹配的CSIT如何影响频相关MISO广播信道中的DoF区域？
• RQ2 在非完美CSIT下，结合ZFBF与MAT方案的混合传输策略是否能优于单一方案？
• RQ3 在两子带频相关设置中，当CSIT质量在用户与子带之间变化时，可实现的DoF区域是什么？
• RQ4 所提方案如何弥合ZFBF（在$\alpha = \beta$时最优）与MAT（在$\alpha = 0$时最优）之间的DoF性能差距？
• RQ5 公共消息重用与干扰对齐在非完美CSIT下提升DoF方面起到什么作用？

主要发现

• 所提方案使两个用户均实现$\frac{2 + \alpha}{3}$的DoF，其中$\alpha$量化了CSIT质量，优于中间区域的纯ZFBF与MAT方案。
• 该方案实现了与MAT相同的总DoF（$\frac{4}{3}$），但使用的信道使用次数更少，因此频谱效率更高。
• 当$\alpha = 0$时，该方案退化为MAT方案，每个用户实现$\frac{2}{3}$的DoF。
• 当$\alpha = \beta$时，该方案退化为ZFBF，完美CSIT用户实现1的DoF，另一用户实现$\alpha$的DoF。
• DoF区域是$\alpha$与$\beta$的连续函数，连接了MAT与ZFBF的区域。
• 该方案在总速率上比ZFBF高出$2(\beta - \alpha)\log P$，仅增加$\beta - \alpha$个额外信道使用，展示了频谱效率的增益。