[论文解读] Interference-Free OFDM: Rethinking OFDM for Interference Networks with Inter-Symbol Interference

Namyoon Lee|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型多载波方案——无干扰正交频 division multiplexing（IF-OFDM），该方案在存在符号间干扰（ISI）的干扰信道中，即使在发射端无信道状态信息（CSIT）的情况下，也能实现用户数K的线性和频谱效率扩展。通过利用期望链路与干扰链路信道冲击响应长度的差异，IF-OFDM采用循环矩阵与非循环矩阵结构，实现无需CSIT的干扰对齐，从而获得K/2的和自由度（DoF）。

ABSTRACT

This paper considers a $K$-user single-input-single-output interference channel with inter-symbol interference (ISI), in which the channel coefficients are assumed to be linear time-invariant with finite-length impulse response. The primary finding of this paper is that, with no channel state information at a transmitter (CSIT), the sum-spectral efficiency can be made to scale linearly with $K$, provided that the desired links have longer impulse response than do the interfering links. This linear gain is achieved by a novel multi-carrier communication scheme which we call extit{interference-free orthogonal frequency division multiplexing (IF-OFDM)}. Furthermore, when a transmitter is able to learn CSIT from its paired receiver only, a higher sum-spectral efficiency can be achieved by a two-stage transmission method that concatenates IF-OFDM and vector coding based on singular value decomposition with water-filling power allocation. A major implication of the derived results is that separate encoding across subcarriers per link is sufficient to linearly increase the sum-spectral efficiency with $K$ in the interference channel with ISI. Simulation results support this claim.

研究动机与目标

• 解决在无发射端信道状态信息（CSIT）时，K用户ISI干扰信道中实现高 spectral efficiency 的基本挑战。
• 通过在无CSIT条件下实现线性和DoF扩展，克服干扰对齐（IA）通常需要全局且即时CSIT的实用限制。
• 证明每条链路在子载波上独立编码足以在ISI干扰信道中实现与K成线性关系的频谱效率扩展。
• 探索在基于路径损耗衰减模型的大规模多小区场景中，将部分ISI视为噪声的可行性。
• 为将该方法扩展至MIMO和具有有限CSIT的协作蜂窝网络奠定基础。

提出的方法

• 提出无干扰正交频分复用（IF-OFDM）传输方案，利用循环前缀将线性卷积转换为循环卷积，从而实现子载波级信号分解。
• 对期望链路使用循环矩阵结构，对干扰链路使用非循环矩阵结构，以在不依赖信道系数知识的情况下实现相对对齐。
• 依赖于期望链路与干扰链路之间的结构差异——特别是期望链路的冲击响应比干扰链路更长——以实现干扰对齐。
• 当存在部分CSIT时，采用两阶段传输方法：首先应用IF-OFDM，然后应用奇异值分解（SVD）结合水填充功率分配以进一步提升频谱效率。
• 当期望链路冲击响应短于干扰链路时，将较长干扰信道抽头的尾部视为有效噪声，利用路径损耗衰减降低噪声功率。
• 通过渐近分析推导和外界界，分析和自由度（DoF）以验证所提方案的最优性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无CSIT的情况下，能否在K用户SISO干扰信道中实现与K成线性关系的和频谱效率扩展？
• RQ2 能否通过利用信道冲击响应的结构差异，在不依赖瞬时或全局CSIT的条件下实现干扰对齐？
• RQ3 在无CSIT条件下，K用户SISO干扰信道在ISI下的和DoF是多少？
• RQ4 在具有路径损耗相关信道增益的多小区系统中，将部分ISI视为有效噪声会对性能产生何种影响？
• RQ5 所提出的IF-OFDM框架能否扩展至MIMO干扰信道，以实现用户数和天线数均增长的DoF扩展？

主要发现

• 在无CSIT条件下，K用户SISO干扰信道的和DoF为K/2，该结果通过所提出的IF-OFDM方案实现。
• IF-OFDM通过利用期望链路与干扰链路冲击响应长度的差异，实现了与K成线性关系的和频谱效率扩展。
• 该方案通过循环矩阵与非循环矩阵形式的结构差异实现干扰对齐，而无需了解信道系数。
• 当存在部分CSIT时，结合IF-OFDM与SVD及水填充功率分配的两阶段方法，其和频谱效率高于仅使用IF-OFDM。
• 当期望链路更靠近接收端时，将长干扰抽头视为噪声所产生的有效噪声功率可忽略不计，验证了该方法在小区中心多小区场景中的有效性。
• 推导出的和DoF为K/2，与在子信道系数独立假设下的外界界一致，表明在无CSIT条件下该方案具有最优性。