[论文解读] Multicell Zero-Forcing and User Scheduling on the Downlink of a Linear Cell Array

H.J. Bang, David Gesbert|ArXiv.org|Nov 5, 2009

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用 10

一句话总结

本文分析了线性蜂窝阵列下行链路中用户调度下的多小区零 forcing预编码（ZFBF），表明即使在用户数量众多的场景下，ZFBF的和速率也显著高于单小区处理（SCP）。在每基站功率受限条件下，推导出最优预编码权重与用户调度策略，并证明为使SCP性能匹配ZFBF，每小区所需用户数随用户总数的对数增长。

ABSTRACT

Coordinated base station (BS) transmission has attracted much interest for its potential to increase the capacity of wireless networks. Yet at the same time, the achievable sum-rate with single-cell processing (SCP) scales optimally with the number of users under Rayleigh fading conditions. One may therefore ask if the value of BS coordination is limited in the many-user regime from a sum-rate perspective. With this in mind we consider multicell zero-forcing beamforming (ZFBF) on the downlink of a linear cell-array. We first identify the beamforming weights and the optimal scheduling policy under a per-base power constraint. We then compare the number of users m and n required per-cell to achieve the same mean SINR, after optimal scheduling, with SCP and ZFBF respectively. Specifically, we show that the ratio m/n grows logarithmically with n. Finally, we demonstrate that the gain in sum-rate between ZFBF and SCP is significant for all practical values of number of users.

研究动机与目标

• 评估多小区零强制预编码（ZFBF）相较于单小区处理（SCP）在线性蜂窝阵列下行链路中的性能增益。
• 在每基站功率受限条件下，识别最优预编码权重与用户调度策略。
• 量化为实现SCP与ZFBF在均值SINR上等效，每小区所需用户数。
• 评估在预渐近多用户区域，基站协调是否能带来显著的和速率增益。

提出的方法

• 建立线性蜂窝阵列模型，每个用户由距离最近的两个基站（BS）服务，假设发射端具备完整的信道状态信息。
• 推导满足每基站功率约束下零强制准则的预编码权重，确保小区间干扰被消除。
• 应用极值理论（EVT）刻画用户数增加时，调度后SINR的渐近行为。
• 利用顺序统计与CDF分析方法，建模从$ n $个用户中随机抽取样本的最大SINR分布。
• 构建有效SINR分布的分段累积分布函数（CDF），以实现分析可 tractability。
• 推导SINR期望的上下界，并利用这些界建立用户数比的渐近标度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户场景下，多小区ZFBF的和速率性能与SCP相比如何？
• RQ2 SCP为达到与ZFBF相同的平均SINR，每小区所需的最少用户数是多少？
• RQ3 当$ m $为SCP所需用户数、$ n $为ZFBF所需用户数时，比值$ m/n $如何随$ n $变化？
• RQ4 对于实际用户数，ZFBF相较于SCP的和速率增益是多少？
• RQ5 即使SCP在用户数众多时可实现最优标度，基站协调是否仍能带来显著性能增益？

主要发现

• 比值$ m/n $（表示SCP为匹配ZFBF平均SINR所需额外的每小区用户数）随ZFBF每小区用户数$ n $的对数增长。
• 对于所有实际用户数，ZFBF与SCP之间的和速率增益均显著，尽管SCP在用户数众多时可实现最优标度。
• 在每基站功率受限条件下，显式推导出满足零强制条件并最小化小区间干扰的最优预编码权重。
• ZFBF调度后SINR的渐近标度为$ \log_2(1 + \rho \ln n) $，其中$ \rho $为信噪比，$ n $为每小区用户数。
• 分析结果表明，ZFBF与SCP之间的性能差距不会随用户数增加而缩小，与渐近预期相反。
• ZFBF下的期望SINR有下界，其随$ n $对数增长，且在$ n $较大时，所推导的界非常紧密。