[论文解读] Multipair Two-way Half-Duplex Relaying with Massive Arrays and Imperfect CSI

Chuili Kong, Caijun Zhong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2016

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 30被引用 3

一句话总结

本文研究了在信道状态信息（CSI）不完美条件下的大规模MIMO中继多对双向半双工协作系统，推导了放大转发（AF）协议的精确闭式和译码转发（DF）协议的大规模近似和频谱效率。研究揭示了一项基本的功率扩展权衡：用户、中继和导频功率可分别按 $1/M^\alpha$、$1/M^\beta$ 和 $1/M^\gamma$ 的比例缩放，从而在保持频谱效率的同时实现显著的节能效果。

ABSTRACT

We consider a two-way half-duplex relaying system where multiple pairs of single antenna users exchange information assisted by a multi-antenna relay. Taking into account the practical constraint of imperfect channel estimation, we study the achievable sum spectral efficiency of the amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) protocols, assuming that the relay employs simple maximum ratio processing. We derive an exact closed-form expression for the sum spectral efficiency of the AF protocol and a large-scale approximation for the sum spectral efficiency of the DF protocol when the number of relay antennas, $M$, becomes sufficiently large. In addition, we study how the transmit power scales with $M$ to maintain a desired quality-of-service. In particular, our results show that by using a large number of relay antennas, the transmit powers of the user, relay, and pilot symbol can be scaled down proportionally to $1/M^α$, $1/M^β$, and $1/M^γ$ for certain $α$, $β$, and $γ$, respectively. This elegant power scaling law reveals a fundamental tradeoff between the transmit powers of the user/relay and pilot symbol. Finally, capitalizing on the new expressions for the sum spectral efficiency, novel power allocation schemes are designed to further improve the sum spectral efficiency.

研究动机与目标

• 分析在不完美CSI条件下，采用大规模MIMO中继的多对双向半双工中继系统的总频谱效率。
• 推导放大转发（AF）协议的精确闭式表达式，以及译码转发（DF）协议的大规模近似表达式。
• 在保持固定服务质量的前提下，刻画用户、中继和导频符号的功率扩展规律。
• 利用几何规划设计新型功率分配方案，以在总功率约束下最大化总频谱效率。

提出的方法

• 利用不完美CSI下的最大比合并技术，推导AF协议的总频谱效率精确表达式。
• 在中继天线数 $M \to \infty$ 的条件下，为DF协议的频谱效率建立大规模近似。
• 提出功率扩展规律，表明用户、中继和导频功率分别按 $1/M^\alpha$、$1/M^\beta$ 和 $1/M^\gamma$ 的比例缩放。
• 提出基于几何规划的功率分配方案，以分别最大化AF和DF协议的总频谱效率。
• 验证频谱效率函数的拟凹性，以确保凸优化并实现全局收敛。
• 通过蒙特卡洛仿真评估所提方案的性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 不完美CSI对基于大规模MIMO的多对双向中继系统总频谱效率有何影响？
• RQ2 在不完美CSI条件下，AF与DF协议的精确和大规模频谱效率表达式分别是什么？
• RQ3 当 $M$ 增大时，维持目标频谱效率的用户、中继和导频发射功率受何种功率扩展规律支配？
• RQ4 导频、用户和中继功率之间的权衡如何影响系统性能与能量效率？
• RQ5 基于几何规划的功率分配方案是否能在总功率约束下显著提升总频谱效率？

主要发现

• AF协议的总频谱效率以精确闭式表达，使得在不完美CSI条件下的性能评估更加精确。
• 对于DF协议，当 $M \to \infty$ 时，推导出总频谱效率的大规模近似，简化了大规模MIMO场景下的分析。
• 揭示了一项基本的功率扩展权衡：用户、中继和导频功率分别按 $1/M^\alpha$、$1/M^\beta$ 和 $1/M^\gamma$ 的比例缩放，支持灵活的系统设计。
• 所提出的功率分配方案使AF协议的总频谱效率提升34.8%，DF协议提升89%，显著优于传统方案。
• 分析表明，增加导频序列的功率可提高CSI精度，从而带来比单纯增加用户或中继功率更高的频谱效率。
• AF与DF协议的优化问题均为凸问题，通过几何规划可确保获得全局最优解。