[论文解读] Joint Source and Relay Design for Multi-user MIMO Non-regenerative Relay Networks with Direct Links

Haibin Wan, Wen Chen|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2020

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 24被引用 29

一句话总结

该论文提出了一种针对具有直接源-目的地链路的多用户MIMO非再生中继网络的联合源与中继预编码设计，采用改进的功率约束下的嵌套迭代算法。证明了在容量和MSE准则下，最优源矩阵与中继矩阵具有相同的结构，仿真结果表明其性能优于现有方案。

ABSTRACT

In this paper, we investigate joint source precoding matrices and relay processing matrix design for multi-user multiple-input multiple-output~(MU-MIMO) non-regenerative relay networks in the presence of the direct source-destination~(S-D) links. We consider both capacity and mean-squared error~(MSE) criterions subject to the distributed power constraints, which are nonconvex and apparently have no simple solutions. Therefore, we propose an optimal source precoding matrix structure based on the point-to-point MIMO channel technique, and a new relay processing matrix structure under the modified power constraint at relay node, based on which, a nested iterative algorithm of jointly optimizing sources precoding and relay processing is established. We show that the capacity based optimal source precoding matrices share the same structure with the MSE based ones. So does the optimal relay processing matrix. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm outperforms the existing results.

研究动机与目标

• 为解决多用户MIMO非再生中继网络中存在直接S-D链路时的联合源与中继预编码设计挑战，该问题在以往研究中常被忽略。
• 在非凸性和分布式功率约束条件下，为容量和MSE准则下的源预编码矩阵与中继处理矩阵设计最优结构。
• 提出一种嵌套迭代算法，联合优化源与中继矩阵，以提升频谱效率和可靠性。
• 证明容量与MSE准则下的最优结构完全一致，简化设计并实现统一优化。
• 通过在真实衰落与路径损耗模型下的广泛仿真，验证所提方案的优越性。

提出的方法

• 通过采用改进的中继功率约束，将多用户中继网络转换为并行的标量子信道，从而可应用点对点MIMO技术。
• 基于有效信道矩阵的奇异值分解（SVD），推导出最优源预编码矩阵结构，确保与容量和MSE最优性一致。
• 在改进的功率约束下，提出一种新的中继处理矩阵结构，通过广义特征值问题求解，以平衡放大增益与干扰抑制。
• 设计一种嵌套迭代算法，交替优化源预编码矩阵与中继处理矩阵，收敛至联合最优解。
• 在中继矩阵中引入功率控制因子，以满足改进的功率约束，同时考虑中继放大与直接链路的贡献。
• 采用基于容量与MSE的双重优化框架，证明在两种准则下最优矩阵结构完全一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在容量与MSE准则下，为具有直接S-D链路的MU-MIMO非再生中继网络中的源预编码与中继处理矩阵推导出统一的最优结构？
• RQ2 如何在非凸性与分布式功率约束条件下，高效地建立并求解源与中继矩阵的联合优化问题？
• RQ3 直接S-D链路对多用户MIMO中继系统中最优预编码与中继矩阵设计有何影响？
• RQ4 在存在直接链路的情况下，容量与MSE准则下的最优源与中继矩阵结构是否保持不变？
• RQ5 在真实信道条件下，所提出的联合设计在遍历容量与和MSE指标上如何优于现有方案？

主要发现

• 在容量与MSE准则下，最优源预编码矩阵具有相同的结构，支持统一设计并简化优化过程。
• 在容量与MSE准则下，最优中继处理矩阵同样表现出相同的结构，验证了所提框架的鲁棒性。
• 仿真结果表明，所提方案在高信噪比（SNR）下，其遍历容量显著高于朴素方案、次优方案及无直接链路方案。
• 所提算法在容量与和MSE指标上均优于现有方法，且在高SNR及中等至高距离中继场景下性能增益更显著。
• 当在设计中合理考虑直接S-D链路时，系统性能显著提升，如所提方案在性能上显著优于NOD与SOS方案。
• 嵌套迭代算法收敛稳定，并带来显著性能增益，充分证明了联合优化方法的有效性。