[论文解读] Non-linear and Linear Broadcasting with QoS Requirements: Tractable Approaches for Bounded Channel Uncertainties

Michael Botros Shenouda, Timothy N. Davidson|ArXiv.org|Dec 11, 2007

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出了一种统一且可计算的框架，用于在具有服务质量（QoS）约束的有界信道不确定性下，实现蜂窝系统中鲁棒的线性和非线性下行链路广播。通过将QoS建模为均方误差（MSE）约束，该方法构建了凸的半定规划（SDP），在不进行保守过估计的情况下，确保所有不确定信道状态下的性能，从而实现比以往基于SINR的方法更低的功耗和更广泛的QoS支持。

ABSTRACT

We consider the downlink of a cellular system in which the base station employs multiple transmit antennas, each receiver has a single antenna, and the users specify. We consider communication schemes in which the users have certain Quality of Service (QoS) requirements. We study the design of robust broadcasting schemes that minimize the transmission power necessary to guarantee that the QoS requirements are satisfied for all channels within bounded uncertainty regions around the transmitter's estimate of each user's channel. Each user's QoS requirement is formulated as a constraint on the mean square error (MSE) in its received signal, and we show that these MSE constraints imply constraints on the received SINR. Using the MSE constraints, we present a unified design approach for robust linear and non-linear transceivers with QoS requirements. The proposed designs overcome the limitations of existing approaches that provide conservative designs or are only applicable to the case of linear precoding. Furthermore, we provide computationally-efficient design formulations for a rather general model of channel uncertainty that subsumes many natural choices for the uncertainty region. We also consider the problem of the robust counterpart to precoding schemes that maximize the fidelity of the weakest user's signal subject to a power constraint. For this problem, we provide quasi-convex formulations, for both linear and non-linear transceivers, that can be efficiently solved using a one-dimensional bisection search. Our numerical results demonstrate that in the presence of CSI uncertainty, the proposed designs provide guarantees for a larger range of QoS requirements than the existing approaches, and consume require less transmission power in providing these guarantees.

研究动机与目标

• 解决现有鲁棒预编码设计的局限性，这些设计要么过于保守，要么仅限于线性预编码。
• 为在有界信道不确定性下的鲁棒线性和非线性收发器设计提供统一框架。
• 确保在不确定性区域内的所有信道中均满足QoS要求，且不扩大可行集。
• 开发计算高效的凸形式化（半定规划），适用于一般信道不确定性模型。
• 在不确定性条件下，展示在所需传输功率和可实现QoS集合方面性能的提升。

提出的方法

• 将每个用户接收信号的均方误差（MSE）作为QoS要求的约束条件。
• 从MSE边界推导出接收信号干扰加噪声比（SINR）的等价约束。
• 采用有界不确定性模型对信道估计建模，其中真实信道位于估计信道周围的凸集内。
• 利用基于二阶锥规划（SOCP）松弛的鲁棒优化技术，将鲁棒设计问题转化为凸半定规划（SDP）。
• 应用一种广义不确定性区域模型，可涵盖许多实际的不确定性集合，包括量化反馈产生的集合。
• 通过一维二分查找，为公平预编码问题提供拟凸形式化，实现高效计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为在有界信道不确定性下的线性和非线性预编码，开发出统一的鲁棒设计框架？
• RQ2 如何对QoS要求进行建模，以实现对线性和非线性方案均可计算的优化？
• RQ3 所提出的基于MSE的公式能否避免现有基于SINR的鲁棒设计的保守性，同时不扩大不确定性集？
• RQ4 与现有方法相比，所提出的鲁棒设计的计算复杂度如何，是否能够高效求解？
• RQ5 在信道不确定性下，所提出方法与现有鲁棒预编码技术相比，在性能（功率效率和QoS支持）方面表现如何？

主要发现

• 所提出的基于MSE的鲁棒设计相比现有基于SINR的鲁棒设计，实现了更低的传输功率，后者依赖于对不确定性集的保守过估计。
• 该方法在统一框架下支持线性和非线性预编码（包括Tomlinson-Harashima预编码）。
• 设计公式为凸半定规划，可实现高效且全局最优的求解。
• 该方法保证在有界不确定性区域内所有信道中均满足QoS要求，且无需扩大可行集。
• 数值结果表明，与现有方法相比，所提出方法在不确定性条件下支持更大的QoS需求集合。
• 对于公平预编码问题，该方法提供可通过一维二分查找求解的拟凸形式化，确保计算效率。