[论文解读] Interference Management in 5G Reverse TDD HetNets with Wireless Backhaul: A Large System Analysis

Luca Sanguinetti, Aris L. Moustakas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种在5G异构网络中采用大规模MIMO宏基站和小细胞并使用无线回传的反向TDD协议。通过利用信道互易性和大系统分析，设计了级联RZF预编码以管理跨层和层内干扰，在信道状态信息（CSI）不完美条件下实现了低上行/下行链路发射功率（约6 W）和高 spectral efficiency（4.8 Gb/s/km²），并存在一个关键的CSI质量阈值，超过该阈值后系统性能会崩溃。

ABSTRACT

This work analyzes a heterogeneous network (HetNet), which comprises a macro base station (BS) equipped with a large number of antennas and an overlaid dense tier of small cell access points (SCAs) using a wireless backhaul for data traffic. The static and low mobility user equipment terminals (UEs) are associated with the SCAs while those with medium-to-high mobility are served by the macro BS. A reverse time division duplexing (TDD) protocol is used by the two tiers, which allows the BS to locally estimate both the intra-tier and inter-tier channels. This knowledge is then used at the BS either in the uplink (UL) or in the downlink (DL) to simultaneously serve the macro UEs (MUEs) and to provide the wireless backhaul to SCAs. A geographical separation of co-channel SCAs is proposed to limit the interference coming from the UL signals of MUEs. A concatenated linear precoding technique employing either zero-forcing (ZF) or regularized ZF is used at the BS to simultaneously serve MUEs and SCAs in DL while nulling interference toward those SCAs in UL. We evaluate and characterize the performance of the system through the power consumption of UL and DL transmissions under the assumption that target rates must be satisfied and imperfect channel state information is available for MUEs. The analysis is conducted in the asymptotic regime where the number of BS antennas and the network size (MUEs and SCAs) grow large with fixed ratios. Results from large system analysis are used to provide concise formulae for the asymptotic UL and DL transmit powers and precoding vectors under the above assumptions. Numerical results are used to validate the analysis in different settings and to make comparisons with alternative network architectures.

研究动机与目标

• 解决密集小细胞和无线回传的5G异构网络中的干扰与能量效率挑战。
• 通过反向TDD实现在宏基站和小细胞层中同时进行上行和下行链路传输，以实现信道互易性。
• 设计一种级联RZF预编码方案，在移动用户CSI不完美条件下满足速率约束并抑制对小细胞的干扰。
• 表征在固定用户与天线比例下大规模网络中上行和下行链路传输的渐近功耗。

提出的方法

• 在宏基站和小细胞层之间采用反向TDD，实现信道互易性，并消除对回传链路的CSI反馈需求。
• 使用大规模MIMO基站配备大阵列天线，通过互易性估计层内和跨层信道。
• 在基站采用级联线性预编码（零 forcing（ZF）或正则化ZFP（RZF）），以服务宏基站用户并为小细胞提供无线回传。
• 在基站实现MMSE接收机以抑制上行链路干扰，并采用RZF预编码以满足下行链路速率约束。
• 利用随机矩阵理论进行大系统分析，推导出发射功率和波束成形矢量的确定性等价表达式。
• 在移动用户CSI不完美条件下，推导出渐近上行和下行链路发射功率及波束成形矢量的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 CSI不完美对采用大规模MIMO和无线回传小细胞的5G异构网络功耗有何影响？
• RQ2 反向TDD如何在异构网络中实现干扰管理，而无需显式交换CSI？
• RQ3 CSI质量存在一个临界阈值，超过该阈值后系统因发射功率发散而不可行，该阈值是什么？
• RQ4 所提出的RZF预编码方案如何在大规模网络中平衡速率约束与干扰抑制？
• RQ5 在用户与天线比例固定的情况下，该架构的渐近功耗与频谱效率极限是什么？

主要发现

• 在10 MHz带宽下，系统在上下行链路均仅使用6 W发射功率，总区域频谱效率达到4.8 Gb/s/km²。
• 存在一个CSI质量的临界阈值，超过该阈值后所有发射功率发散，导致高速移动用户网络不可行。
• 所提出的级联RZF预编码方案可实现静态和低速移动用户的低功耗运行，同时满足速率约束。
• 大系统分析得出了渐近发射功率和波束成形矢量的闭式表达式，使系统设计更加精确。
• 系统在中等CSI估计误差下具有鲁棒性，但超过临界误差水平后性能急剧下降。
• 采用反向TDD可在无需回传信令的情况下实现层间隐式协调，降低系统复杂度。