[论文解读] Multiuser Diversity for the Cognitive Uplink with Generalized Fading and Reduced Primary's Cooperation

Ehsan Nekouei, Hazer İnaltekin+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用 3

一句话总结

本文提出了一种K个最小信道增益（K-SCG）反馈协议，以在反馈受限的认知上行链路网络中实现高效的多用户分集。研究证明，当K_N = N^δ（δ ∈ (0,1)）或K_N = O(1)时，K-SCG反馈在总功率与干扰受限网络中实现渐近最优的和速率标度——log log N，在干扰受限及单个功率与干扰受限网络中实现log N，同时保持对主用户干扰可忽略不计。

ABSTRACT

In cognitive multiple access networks, feedback is an important mechanism to convey secondary transmitter primary base station (STPB) channel gains from the primary base station (PBS) to the secondary base station (SBS). This paper investigates the optimal sum-rate capacity scaling laws for cognitive multiple access networks in feedback limited communication scenarios. First, an efficient feedback protocol called $K$-smallest channel gains ($K$-SCGs) feedback protocol is proposed in which the PBS feeds back the $\K$ smallest out of $N$ STPB channel gains to the SBS. Second, the sum-rate performance of the $K$-SCG feedback protocol is studied for three network types when transmission powers of secondary users (SUs) are optimally allocated. The network types considered are total-power-and-interference-limited (TPIL), interference-limited (IL) and individual-power-and-interference-limited (IPIL) networks. For each network type studied, we provide a sufficient condition on $\K$ such that the $K$-SCG feedback protocol is {\em asymptotically} optimal in the sense that the secondary network sum-rate scaling behavior under the $K$-SCG feedback protocol is the same with that under the full-feedback protocol. We allow distributions of secondary-transmitter-secondary-base-station (STSB), and STPB channel power gains to belong to a fairly general class of distributions called class $\mathcal{C}$-distributions that includes commonly used fading models.

研究动机与目标

• 解决认知多址接入网络中，二级基站需要从主基站获取信道状态信息时反馈开销过高的问题。
• 研究在具有广义衰落分布的认知无线电网络中，反馈受限条件下和速率容量的标度律。
• 设计一种反馈协议，在最小化报告的信道增益数量的同时保持最优的和速率标度。
• 确保主基站处的干扰保持任意小，且不牺牲二级网络的吞吐量。

提出的方法

• 提出K-SCG反馈协议，即主基站仅向二级基站报告N个二级发射机到主基站（STPB）信道增益中最小的K_N个。
• 分析三种网络模型下的和速率性能：总功率与干扰受限（TPIL）、干扰受限（IL）和个体功率与干扰受限（IPIL）。
• 推导出K_N的充分条件，使得K-SCG协议能够实现与全反馈相同的渐近和速率标度。
• 利用极值理论和顺序统计方法，表征在一般C-分布下（包括瑞利衰落和莱斯衰落）最小STPB信道增益的行为。
• 基于报告的K_N个信道增益，在二级基站采用最优功率分配策略，以在干扰和功率约束下最大化和速率。
• 采用下界和上界估计技术，为每种网络类型建立紧致的渐近和速率标度律。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有广义衰落的认知上行链路网络中，何种反馈协议可在最小化开销的同时保持最优的和速率标度？
• RQ2 报告的信道增益数量（K_N）在不同干扰环境下如何影响二级网络的和速率标度？
• RQ3 是否可使主基站处的干扰保持任意小，而不降低二级网络的和速率性能？
• RQ4 在TPIL、IL和IPIL网络中，K-SCG反馈下二级网络和速率的最优标度行为是什么？
• RQ5 K_N的选择如何影响反馈开销与和速率最优性之间的权衡？

主要发现

• 在TPIL网络中，当K_N = N^δ（δ ∈ (0,1)）时，K-SCG反馈协议渐近最优，实现和速率标度(1/n_h) log log N，其中n_h由STSB信道分布导出。
• 在IL网络中，当K_N = O(1)时，K-SCG协议渐近最优，实现最优和速率标度(1/γ_g) log N，其中γ_g为STPB信道分布中的参数。
• 在IPIL网络中，当K_N = O(1)时，K-SCG协议渐近最优，实现和速率标度min(1, 1/γ_g) log N。
• 主基站处的平均干扰功率可被任意减小，同时在所有网络类型中保持最优的和速率标度行为。
• 所提出的反馈协议实现了与全反馈相同的渐近和速率标度，表明仅需报告信道增益的一个小子集即可实现最优性能。
• 数值结果验证了推导的标度律在有限N时依然成立，证实了理论分析在各种衰落分布下的有效性。