[论文解读] Outage Behavior of Randomly Precoded Integer Forcing Over MIMO Channels.

Elad Domanovitz, Uri Erez|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 16被引用 3

一句话总结

本文分析了在MIMO信道中采用随机预编码整数强制的中断行为，推导出仅依赖于与容量的差距和发射天线数的通用中断概率上界。该上界适用于复合类中的任意信道，在中等容量值下具有紧致性，从而在MIMO闭环多播系统中实现通用性能保证。

ABSTRACT

Integer forcing is an equalization scheme for the multiple-input multiple-output (MIMO) communication channel that has been demonstrated to allow operating close to capacity for most MIMO channels. In this work, the measure of bad channels is quantified by considering a compound channel setting where the transmitter communicates over a fixed channel but knows only its mutual information. The transmitter encodes the data into independent streams, all taken from the same linear code. The coded streams are then precoded using a unitary matrix. At the receiver side, integer-forcing equalization is applied, followed by standard single-stream decoding. Considering precoding matrices being drawn from a random ensemble, outage corresponds to the event that the target rate exceeds the achievable rate of integer forcing for a given precoding matrix realization. Assuming precoding matrices drawn from the circular unitary ensemble, an explicit universal bound on the outage probability for a given target rate is derived that holds for any channel in the compound class. The derived bound depends only on the gap-to-capacity and number of transmit antennas, and is tight enough to be of interest for moderate values of capacity. The results are also applied to obtain universal bounds on the gap-to-capacity of MIMO closed-loop multicast, achievable via precoded integer forcing.

研究动机与目标

• 量化当发射端仅有部分信道状态信息（具体为互信息）时，整数强制在MIMO信道中的性能。
• 分析在复合信道设置下，发射端在已知互信息但信道未知的信道类中通信时的中断行为。
• 推导出与特定信道实现无关、仅依赖于与容量差距和发射天线数的通用中断概率上界。
• 将结果扩展至MIMO闭环多播系统，提供通过预编码整数强制可实现的与容量差距的通用上界。

提出的方法

• 发射端使用单个线性码将数据编码为独立数据流，并从圆周酉群中应用随机酉预编码。
• 接收端使用整数强制均衡，通过基于格的检测线性组合接收信号以恢复各独立数据流。
• 中断被定义为：对于给定的预编码矩阵实现，目标速率超过整数强制可实现速率的事件。
• 分析利用随机矩阵理论，推导出适用于复合类中所有信道的通用中断概率上界。
• 该上界在预编码矩阵来自圆周酉群的假设下推导得出，从而确保统计不变性。
• 该方法建立了与容量差距和中断概率之间的联系，使得在发射端无完整CSI的情况下也能实现性能保证。

实验结果

研究问题

• RQ1 当发射端仅有互信息而无完整CSI，且预编码矩阵从圆周酉群中随机抽取时，整数强制的中断概率是多少？
• RQ2 能否推导出一个仅依赖于与容量差距和发射天线数、而与特定信道实现无关的通用中断概率上界？
• RQ3 在部分CSI条件下，预编码整数强制在MIMO信道中的中断性能如何扩展？
• RQ4 在MIMO闭环多播系统中，使用预编码整数强制可实现的与容量差距是多少？能否实现通用上界？
• RQ5 所推导的中断上界是否足够紧致，足以在中等容量值下具有实际意义？

主要发现

• 推导出一个适用于复合类中所有信道的通用中断概率上界，该上界仅依赖于与容量差距和发射天线数。
• 该上界在中等容量值下足够紧致，具有实际应用价值。
• 随着与容量差距的减小，中断概率降低，表明在接近容量的信道中可靠性更高。
• 所推导的上界适用于所有具有相同互信息的MIMO信道，实现无需完整CSI的性能保证。
• 结果已扩展至MIMO闭环多播系统，提供了通过预编码整数强制可实现的与容量差距的通用上界。
• 分析证实，从圆周酉群中进行随机预编码可实现鲁棒性能，并具有可预测的中断行为。