[论文解读] Power Allocation for Multi-Pair Massive MIMO Two-Way AF Relaying with Linear Processing

Yongyu Dai, Xiaodai Dong|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 20被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种在存在非完美信道状态信息（CSI）的多对大规模MIMO双向放大转发（AF）协作中，采用最大比合并/最大比传输（MRC/MRT）或零迫波束成形/零迫检测（ZFR/ZFT）波束成形的最优功率分配（OPA）方案。该文推导了遍历可实现速率的闭式下界，并通过几何规划方法构建了OPA，以最大化总频谱效率。渐近OPA解表明，在MRC/MRT下，最优功率与大尺度衰落因子成反比。

ABSTRACT

In this paper, we consider a multi-pair two-way amplify-and-forward relaying system where multiple sources exchange information via a relay node equipped with large-scale antenna arrays. Given that channel estimation is non-ideal, and that the relay employs either maximum-ratio combining/maximum-ratio transmission (MRC/MRT) or zero-forcing reception/zero-forcing transmission (ZFR/ZFT) beamforming, we derive two corresponding closed-form lower bound expressions for the ergodic achievable rate of each pair sources. The closed-form expressions enable us to design an optimal power allocation (OPA) scheme that maximizes the sum spectral efficiency under certain practical constraints. As the antenna array size tends to infinity and the signal to noise ratios become very large, asymptotically optimal power allocation schemes in simple closed-form are derived. The capacity lower bounds are verified to be accurate predictors of the system performance by simulations, and the proposed OPA outperforms equal power allocation (EPA). It is also found that in the asymptotic regime, when MRC/MRT is used at the relay and the link end-to-end large-scale fading factors among all pairs are equal, the optimal power allocated to a user is inverse to the large-scale fading factor of the channel from the user to the relay, while OPA approaches EPA when ZFR/ZFT is adopted.

研究动机与目标

• 解决大规模MIMO双向AF协作中存在非完美CSI时缺乏功率分配方案的问题。
• 为MRC/MRT和ZFR/ZFT波束成形策略推导闭式遍历可实现速率下界。
• 设计一种在实际约束下最大化总频谱效率的最优功率分配（OPA）方案。
• 分析当中继天线数量趋于无穷大时，OPA的渐近行为。
• 通过仿真验证速率下界的准确性，并比较OPA与等功率分配（EPA）在频谱效率方面的优越性。

提出的方法

• 利用Wishart和逆Wishart矩阵的性质，基于统计CSI（SCSI）推导遍历可实现速率的闭式下界。
• 借鉴[16,17]中的技术，对有限中继天线数下的信道估计误差和波束成形增益进行建模。
• 采用几何规划（GP）求解在功率和服务质量约束下最大化总频谱效率的OPA问题。
• 推导当中继天线数量趋于无穷大时的渐近OPA闭式解。
• 通过蒙特卡洛仿真验证速率下界，并比较OPA与EPA在频谱效率方面的性能。
• 在非完美CSI和非理想信道估计条件下，同时考虑MRC/MRT和ZFR/ZFT波束成形策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在非完美CSI和MRC/MRT波束成形的多对大规模MIMO双向AF协作中，遍历可实现速率的闭式下界是什么？
• RQ2 在非完美CSI和有限中继天线数下，ZFR/ZFT波束成形的遍历可实现速率行为如何？
• RQ3 在实际约束下，能够最大化总频谱效率的最优功率分配策略是什么？
• RQ4 当中继天线数量趋于无穷大时，渐近OPA的行为如何？
• RQ5 在不同衰落条件下，OPA方案与等功率分配（EPA）在频谱效率和公平性方面相比如何？

主要发现

• 推导出的闭式遍历可实现速率下界能准确预测实际系统性能，经蒙特卡洛仿真验证。
• 所提出的OPA方案在所有系统配置下均优于等功率分配（EPA）的总频谱效率。
• 在MRC/MRT波束成形的渐近区域，最优功率与用户到中继的路径损耗因子成反比。
• 当使用ZFR/ZFT波束成形时，OPA方案趋近于EPA，表明对信道变化的敏感性降低。
• 随着中继天线数量的增加，OPA收敛至简单的闭式解，支持低复杂度实现。
• 基于几何规划的OPA可利用CVX等标准工具高效求解，确保实际可部署性。