[论文解读] On the Capacity Regions of Cloud Radio Access Networks with Limited Orthogonal Fronthaul

Shouvik Ganguly, Seung‐Eun Hong+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2019

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 37被引用 4

一句话总结

本论文通过应用网络压缩-前向（等价于噪声网络编码）和分布式解码-前向方案，为具有有限容量正交回传链路的上行链路和下行链路云无线电接入网络（C-RANs）建立了近似容量区域。证明了这些方案在任意信道增益和信噪比（SNR）下，均能使和速率与割集外 bound 之间的差距保持在有限范围内——每用户每实维度的差距不超过 $\frac{1}{2}\log(eL)$ 比特，并刻画了在大规模网络中接近无回传链路容量所需的回传链路容量。

ABSTRACT

Uplink and downlink cloud radio access networks are modeled as two-hop K-user L-relay networks, whereby small base-stations act as relays for end-to-end communications and are connected to a central processor via orthogonal fronthaul links of finite capacities. Simplified versions of network compress-forward (or noisy network coding) and distributed decode-forward are presented to establish inner bounds on the capacity region for uplink and downlink communications, that match the respective cutset bounds to within a finite gap independent of the channel gains and signal to noise ratios. These approximate capacity regions are then compared with the capacity regions for networks with no capacity limit on the fronthaul. Although it takes infinite fronthaul link capacities to achieve these "fronthaul-unlimited" capacity regions exactly, these capacity regions can be approached approximately with finite-capacity fronthaul. The total fronthaul link capacities required to approach the fronthaul-unlimited sum-rates (for uplink and downlink) are characterized. Based on these results, the capacity scaling law in the large network size limit is established under certain uplink and downlink network models, both theoretically and via simulations.

研究动机与目标

• 刻画在有限容量正交回传链路约束下的上行链路和下行链路 C-RAN 的容量区域。
• 缩小在有限回传链路条件下 C-RAN 中可实现速率与割集外 bound 之间的差距。
• 确定为接近无回传链路 C-RAN 和速率所需的整体回传链路容量。
• 在大规模网络规模极限下，建立在实际回传链路约束下的容量标定律。

提出的方法

• 将上行链路和下行链路 C-RAN 建模为具有有限容量回传链路的两跳 K 用户 L 中继网络。
• 应用网络压缩-前向（等价于噪声网络编码）和分布式解码-前向作为编码方案，以推导容量区域的内 bound。
• 以割集 bound 为参考，推导内 bound 与外 bound 之间每用户速率和和速率差距的上界。
• 通过优化功率分配和量化参数，最小化可实现速率与外 bound 之间的差距。
• 利用信道矩阵和协方差矩阵的秩与迹约束，将差距以系统参数（如用户数、中继数和 SNR）的形式进行界定。
• 在大规模网络极限下分析差距，推导出在有限回传链路容量下的和速率标定律。

实验结果

研究问题

• RQ1 当回传链路具有有限容量时，上行链路和下行链路 C-RAN 的容量极限是什么？
• RQ2 网络压缩-前向或分布式解码-前向是否能在与信道条件和 SNR 无关的情况下，实现与割集 bound 之间恒定差距内的和速率？
• RQ3 为接近无回传链路 C-RAN 的和速率，所需的整体回传链路容量是多少？
• RQ4 在回传链路容量有限时，大规模 C-RAN 中的和速率如何标定？
• RQ5 中继数和用户数对有限回传链路 C-RAN 中可实现速率差距有何影响？

主要发现

• 网络压缩-前向方案实现的和速率与割集外 bound 的差距，每用户每实维度不超过 $\frac{1}{2}\log(eL)$ 比特，且与信道增益、SNR 和用户数无关。
• 对于上行链路 MIMO C-RAN，每用户速率差距的上界为 $\frac{1}{2}\log(eNrL/Nu)$，和速率差距的上界为 $\frac{1}{2}\log(eNrL)$。
• 对于下行链路 MIMO C-RAN，每用户速率差距的上界为 $\frac{1}{2}\log(eNrLK)$，和速率差距的上界为 $\frac{1}{2}\min\{NrL, NuK\}\log(NrL) + \frac{1}{2}NuK$。
• 为接近无回传链路和速率，所需的整体回传链路容量与用户数和中继数呈线性关系，且已推导出差距的显式边界。
• 在大规模网络极限下，和速率与用户数和中继数呈线性标定，且有限回传链路容量不会阻止在恒定差距内接近无回传链路和速率。
• 结果在所有信道实现和 SNR 值下均成立，表明对信道变化和功率约束具有鲁棒性。