[论文解读] Interference Alignment with Incomplete CSIT Sharing

Paul de Kerret, David Gesbert|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本文研究了在不完全信道状态信息（CSIT）条件下，K用户MIMO干扰信道中干扰对齐（IA）的可行性，其中每个发射端仅掌握全局信道矩阵的一部分。本文提出了一种CSIT分配策略，即使在仅具备最小CSIT的紧密可行天线配置下也能保持IA的可行性，并为超可行场景设计了一种启发式算法，以在保持自由度增益的同时降低反馈开销。

ABSTRACT

In this work, we study the impact of having only incomplete channel state information at the transmitters (CSIT) over the feasibility of interference alignment (IA) in a K-user MIMO interference channel (IC). Incompleteness of CSIT refers to the perfect knowledge at each transmitter (TX) of only a sub-matrix of the global channel matrix, where the sub-matrix is specific to each TX. This paper investigates the notion of IA feasibility for CSIT configurations being as incomplete as possible, as this leads to feedback overhead reductions in practice. We distinguish between antenna configurations where (i) removing a single antenna makes IA unfeasible, referred to as tightly-feasible settings, and (ii) cases where extra antennas are available, referred to as super-feasible settings. We show conditions for which IA is feasible in strictly incomplete CSIT scenarios, even in tightly-feasible settings. For such cases, we provide a CSIT allocation policy preserving IA feasibility while reducing significantly the amount of CSIT required. For super-feasible settings, we develop a heuristic CSIT allocation algorithm which exploits the additional antennas to further reduce the size of the CSIT allocation. As a byproduct of our approach, a simple and intuitive algorithm for testing feasibility of single stream IA is provided.

研究动机与目标

• 分析当发射端仅掌握全局信道状态信息（CSIT）的部分知识（即信道矩阵的子矩阵）时，干扰对齐（IA）的可行性。
• 识别在严格不完全CSIT条件下IA仍保持可行的条件，特别是在移除任一端口即破坏IA可行性的紧密可行天线配置中。
• 提出一种CSIT分配策略，以在不完全CSIT场景下最小化反馈开销，同时保持IA的可行性。
• 在超可行场景（即存在额外天线）中扩展该方法，通过设计一种启发式CSIT分配算法，进一步减少所需CSIT的大小。
• 基于所提出的框架，提供一种简单直观的单流IA可行性测试方法。

提出的方法

• 提出一种新颖的CSIT框架，其中每个发射端仅接收与自身在干扰网络中角色相关的全局信道系数子集。
• 将天线配置分类为紧密可行（移除任一端口即破坏IA可行性）和超可行（存在冗余天线）两种情形。
• 利用代数几何与变量/方程计数法（通过N_var和N_eq）推导在不完全CSIT下IA可行性的必要与充分条件。
• 提出一种CSIT分配策略，通过允许每个发射端从其部分CSIT重构所需的干扰对齐波束成形波束，从而保证各发射端间波束成形的一致性。
• 采用子-干扰信道（sub-IC）分解方法：在紧密可行子-IC中固定波束成形波束，并证明IA在完整网络中仍保持可行。
• 为超可行场景设计一种启发式CSIT分配算法，利用冗余天线最小化所需CSIT的大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 当发射端仅掌握全局信道矩阵的部分信息时，干扰对齐在何种条件下仍保持可行？
• RQ2 在仅具备最小CSIT共享的紧密可行天线配置中，IA可行性是否可以得到保持？
• RQ3 如何在发射端之间分配CSIT，以在保持IA可行性的同时最小化反馈开销？
• RQ4 在存在额外天线的超可行场景中，对IA所需CSIT大小的减少有何影响？
• RQ5 能否从所提出的CSIT分配框架中推导出一种简单直观的单流IA可行性测试方法？

主要发现

• 在不完全CSIT条件下，只要每个发射端被分配一个能支持相干波束成形设计的全局信道矩阵子矩阵，IA在紧密可行设置下仍可保持可行。
• 提出了一种CSIT分配策略，可在显著降低反馈开销的同时保持IA可行性，尤其在紧密可行配置中效果显著。
• 对于超可行场景，设计了一种启发式CSIT分配算法，利用冗余天线进一步减小所需CSIT的大小。
• 所提出的框架通过分析子-IC及发射端间波束成形一致性，实现了简单直观的单流IA可行性测试。
• 理论分析证实，在紧密可行子-IC中固定波束成形波束不会损害完整干扰信道中的IA可行性。
• 结果表明，IA可行性并不要求完全CSIT，仅需最小化且战略性分配的CSIT即可在MIMO干扰信道中保持最优自由度。