[论文解读] Leakage-Based Robust Beamforming for Multi-Antenna Broadcast System with Per-Antenna Power Constraints and Quantized CDI

Ming Ding, Meng Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 30被引用 10

一句话总结

本文针对具有每端口功率约束和量化信道方向信息（CDI）的多用户MISO广播系统，提出鲁棒波束成形方案。证明了在量化CDI下，零 forcing（ZF）波束成形可最小化平均干扰，推导出干扰泄漏功率的闭式累积分布函数（CDF），并提出两种泄漏控制波束成形方案——最小平均泄漏控制（MALC）与松弛平均泄漏控制（RALC），通过几何规划优化功率分配，以最大化加权和速率性能。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the robust beamforming schemes for a multi-user multiple-input-single-output (MU-MISO) system with per-antenna power constraints and quantized channel direction information (CDI) feedback. Our design objective is to maximize the expectation of the weighted sum-rate performance by means of controlling the interference leakage and properly allocating the power among user equipments (UEs).First, we prove the optimality of the non-robust zero-forcing (ZF) beamforming scheme in the sense of generating the minimum amount of average inter-UE interference under quantized CDI. Then we derive closed-form expressions of the cumulative density function (CDF) of the interference leakage power for the non-robust ZF beamforming scheme, based on which we adjust the leakage thresholds and propose two robust beamforming schemes under per-antenna power constraints with an iterative process to update the per-UE power allocations using the geometric programming (GP). Simulation results show the superiority of the proposed robust beamforming schemes compared with the existing schemes in terms of the average weighted sum-rate performance.

研究动机与目标

• 解决FDD系统中由于有限比特CDI反馈导致的信道状态信息不完善问题。
• 在实际多天线基站中常见的每端口功率约束下，设计鲁棒波束成形方案。
• 通过控制干扰泄漏并优化功率分配，最大化加权和速率性能。
• 建立量化CDI下干扰泄漏的理论基础，以支持鲁棒设计。
• 通过引入基于泄漏的优化与每端口功率约束，扩展现有鲁棒波束成形方法。

提出的方法

• 证明在量化CDI下，非鲁棒ZF波束成形可最小化平均用户间干扰，为鲁棒设计提供基准。
• 推导在量化CDI下ZF波束成形的干扰泄漏功率的闭式累积分布函数（CDF）。
• 基于推导出的CDF，通过调整泄漏阈值，提出两种鲁棒波束成形方案——MALC与RALC。
• 利用几何规划（GP）迭代优化在每端口功率约束下的用户级功率分配。
• 将干扰泄漏建模为依赖于量化分辨率与信道分布的随机变量，从而实现概率约束。
• 将泄漏功率的CDF整合进优化框架，以确保对CDI量化误差的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限比特CDI反馈下，零 forcing波束成形是否在最小化平均干扰泄漏方面最优？
• RQ2 在量化CDI下，ZF波束成形的干扰泄漏功率的精确统计分布是什么？
• RQ3 如何自适应设定泄漏阈值，以在鲁棒性与和速率性能之间取得平衡？
• RQ4 几何规划能否有效优化每端口功率约束下的功率分配，同时保持鲁棒性？
• RQ5 在实际约束条件下，所提出的基于泄漏的波束成形相较于现有方案，在加权和速率方面表现如何？

主要发现

• 证明了非鲁棒ZF波束成形在量化CDI下可产生最小的平均用户间干扰，验证了其在干扰泄漏最小化中的最优性。
• 推导出在ZF波束成形下干扰泄漏功率的闭式CDF表达式，实现了对残留干扰的精确统计建模。
• 仿真结果表明，MALC与RALC波束成形方案的平均加权和速率高于现有鲁棒波束成形方法。
• 基于GP的迭代功率分配过程收敛迅速，且满足每端口功率约束，确保了实际可行性。
• 所提方案在用户数较多、多复用增益较高的场景下表现出显著性能增益。
• 理论推导的泄漏功率CDF使鲁棒波束成形的阈值设定更加精确，提升了在CDI不确定性下的系统可靠性。