[论文解读] Joint Base Station Clustering and Beamforming for Non-Orthogonal Multicast and Unicast Transmission with Backhaul Constraints

Erkai Chen, Meixia Tao+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Telecommunications and Broadcasting Technologies参考文献 31被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在回传容量受限的多小区网络中，针对非正交广播与单播传输的联合基站聚类与波束成形框架。通过采用具有叠加波束成形的分层复用（LDM）结构，该方法将每基站功率和回传约束下的加权和速率最大化问题建模为联合优化问题，与正交方案相比，实现了更优的广播-单播速率区域。

ABSTRACT

The demand for providing multicast services in cellular networks is continuously and fastly increasing. In this work, we propose a non-orthogonal transmission framework based on layered-division multiplexing (LDM) to support multicast and unicast services concurrently in cooperative multi-cell cellular networks with limited backhaul capacity. We adopt a two-layer LDM structure where the first layer is intended for multicast services, the second layer is for unicast services, and the two layers are superposed with different beamformers. Each user decodes the multicast message first, subtracts it, and then decodes its dedicated unicast message. We formulate a joint multicast and unicast beamforming problem with adaptive base station clustering that aims to maximize the weighted sum of the multicast rate and the unicast rate under per-BS power and backhaul constraints. To solve the problem, we first develop a branch-and-bound algorithm to find its global optimum. We then reformulate the problem as a sparse beamforming problem and propose a low-complexity algorithm based on convex-concave procedure. Simulation results demonstrate the significant superiority of the proposed LDM-based non-orthogonal scheme over orthogonal schemes in terms of the achievable multicast-unicast rate region.

研究动机与目标

• 为应对蜂窝网络中对高效广播服务日益增长的需求，同时不降低单播性能。
• 解决传统广播-单播系统中正交资源共享导致的频谱效率低下问题。
• 在每基站功率和回传容量约束下，联合优化基站聚类与波束成形。
• 在协作式多小区网络中，最大化广播与单播速率的加权和。
• 设计低复杂度算法，在满足实际系统约束的前提下，实现接近最优的性能。

提出的方法

• 提出一种两层LDM结构，第一层用于传输广播信号，第二层用于传输单播信号，两者均使用不同的波束成形波束。
• 在用户端采用逐次干扰消除（SIC）：先解码并消除广播信号，再解码单播信号。
• 建立一个非凸优化问题，联合优化波束成形波束、聚类指示变量和速率，受限于每基站功率和回传容量。
• 开发一种分支定界算法，以找到联合问题的全局最优解。
• 将问题重新表述为稀疏波束成形问题，并提出一种基于凸-凹规划（CCP）的低复杂度算法，适用于实际部署。
• 采用基于二分法的边界技术，确保解的收敛性和可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在回传容量受限的多小区网络中，如何高效支持广播与单播服务？
• RQ2 在功率和回传容量约束下，如何实现基站聚类与波束成形的最优联合设计以最大化系统和速率？
• RQ3 如何利用分层复用（LDM）提升非正交广播-单播传输的频谱效率？
• RQ4 与传统的正交方案相比，所提出的非正交方案在速率区域方面有何性能增益？
• RQ5 如何设计低复杂度算法，以在实际系统中实现接近最优的性能？

主要发现

• 所提出的基于LDM的非正交方案相比正交传输方案，显著扩大了广播-单播速率区域。
• 分支定界算法可保证联合聚类与波束成形问题的全局最优性。
• 基于CCP的低复杂度算法在计算成本显著降低的情况下，实现了接近全局最优的性能。
• 通过基于二分法的边界技术，证明了算法的收敛性，确保了解的可行性和在最大迭代次数内的有限终止。
• 目标函数的上下界之间的差距是有界的，通过调整搜索精度参数δ，可使其任意缩小。
• 仿真结果证实，在现实的回传和功率约束下，所提方案在加权和速率方面具有显著优越性。