[论文解读] On Uplink-Downlink Duality for Cellular IA

Vasileios Ntranos, Mohammad Ali Maddah-Ali+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 16被引用 4

一句话总结

本文在具有局部回传链路的六边形蜂窝网络中，建立了蜂窝干扰对齐（IA）的上行-下行链路对偶性。提出了一种下行链路方案，其中基站通过量化预编码的脏纸编码信号交换信息，以实现逐次干扰消除，证明了在上行链路中通过单次线性IA实现的任意自由度（DoF）在下行链路中也可通过反向编码顺序的对偶预编码方案实现。

ABSTRACT

In our previous work we considered the uplink of a hexagonal cellular network topology and showed that linear "one-shot" interference alignment (IA) schemes are able to achieve the optimal degrees of freedom (DoFs) per user, under a decoded-message passing framework that allows base-stations to exchange their own decoded messages over local backhaul links. In this work, we provide the dual framework for the downlink of cellular networks with the same backhaul architecture, and show that for every "one-shot" IA scheme that can achieve $d$ DoFs per user in the uplink, there exists a dual "one-shot" IA scheme that can achieve the same DoFs in the downlink. To enable "Cellular IA" for the downlink, base-stations will now use the same local backhaul links to exchange quantized versions of the dirty-paper precoded signals instead of user messages.

研究动机与目标

• 将单次干扰对齐框架从上行链路扩展到具有局部回传链路的蜂窝网络中的下行链路。
• 解决一个基本问题：在相同的回传架构下，下行链路是否能实现与上行链路相当的自由度（DoF）。
• 设计一种对偶的下行链路传输方案，通过交换量化预编码信号而非解码后的消息，实现干扰对齐。
• 通过反转编码顺序并交换波束成形矩阵，建立上行链路与下行链路干扰对齐的正式对偶关系。
• 证明脏纸编码（DPC）在逐次编码框架下可实现有效的下行链路干扰预取消，而传统线性预编码方案则不能。

提出的方法

• 在下行链路中提出一种逐次编码方案，其中基站（BSs）将脏纸预编码信号进行量化，并通过局部回传链路共享。
• 与上行链路解码顺序 $\pi$ 相比，采用反向编码顺序 $\overline{\pi}$，以实现逐级干扰消除。
• 在每个基站应用脏纸编码（DPC）以预取消已知的、来自先前编码信号的干扰。
• 通过将上行链路波束成形矩阵 $\mathbf{V}_v, \mathbf{U}_u$ 映射为下行链路的发射和接收波束成形器 $\overline{\mathbf{V}}_v = \mathbf{U}_v, \overline{\mathbf{U}}_u = \mathbf{V}_u$，建立对偶性。
• 利用信道互易性：下行链路信道矩阵 $\overline{\mathbf{H}}_{vu} = \mathbf{H}_{uv}^H$ 是上行链路信道的厄米特转置。
• 证明在对偶框架下，上行链路的干扰对齐（IA）条件在下行链路中得以保持，从而确保自由度等价性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同的回传约束条件下，能否在下行链路中实现与上行链路中单次线性IA相同的自由度（DoF）？
• RQ2 当基站只能通过局部回传链路交换量化信号时，应采用何种适当的下行链路传输策略以实现干扰对齐？
• RQ3 在逐次编码框架下，脏纸编码（DPC）如何实现有效的下行链路干扰预取消？
• RQ4 干扰对齐方案中，上行链路解码顺序与下行链路编码顺序之间的确切对偶关系是什么？
• RQ5 上行链路IA的对偶原理能否扩展到具有六边形拓扑结构和局部回传协作的蜂窝网络？

主要发现

• 在上行链路中通过单次线性IA实现的任意自由度 $\{d_v, v \in \mathcal{V}\}$，在下行链路中也可通过该对偶方案实现。
• 通过使用反向编码顺序 $\overline{\pi}$ 并交换波束成形矩阵 $\overline{\mathbf{V}}_v = \mathbf{U}_v$, $\overline{\mathbf{U}}_u = \mathbf{V}_u$，下行链路实现了与上行链路相同的DoF。
• 上行链路中的干扰对齐条件 $\mathbf{U}_u^H \mathbf{H}_{uv} \mathbf{V}_v = 0$ 通过信道互易性转化为下行链路中的 $\overline{\mathbf{U}}_u^H \overline{\mathbf{H}}_{uv} \overline{\mathbf{V}}_v = 0$。
• 下行链路中的信干噪比（SINR）得以保持，使得每个用户都能实现 $d_v$ 个自由度，因为干扰项被DPC完全消除。
• 该方案无需交换消息或量化接收信号；而是交换量化后的脏纸预编码信号，从而实现对已知干扰的预取消。
• 该对偶性在相同的网络拓扑 $\mathcal{G}(\mathcal{V}, \mathcal{E})$ 和回传速率约束下成立，证明了在所提框架下，上行链路与下行链路在自由度性能上具有等价性。