[论文解读] Power Allocation Schemes for Multicell Massive MIMO Systems

Qi Zhang, Shi Jin+3 more|Research Portal (Queen's University Belfast)|Jun 10, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 28被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于调度机制的低复杂度功率分配方案，适用于多小区大规模MIMO系统，使非干扰小区能够独立优化上行链路和下行链路的发射功率。该方案推导出在迫零预编码下的上行链路和下行链路速率的闭式表达式，相较于等功率分配，显著提升了总速率——尤其在实际天线配置下（例如，M ≈ 100–200），尽管当M→∞且N固定时增益逐渐减小。与联合优化相比，该方案以极低的复杂度实现了接近最优的性能。

ABSTRACT

This paper investigates the sum-rate gains brought by power allocation strategies in multicell massive multipleinput multiple-output systems, assuming time-division duplex transmission. For both uplink and downlink, we derive tractable expressions for the achievable rate with zero-forcing receivers and precoders respectively. To avoid high complexity joint optimization across the network, we propose a scheduling mechanism for power allocation, where in a single time slot, only cells that do not interfere with each other adjust their transmit powers. Based on this, corresponding transmit power allocation strategies are derived, aimed at maximizing the sum rate per-cell. These schemes are shown to bring considerable gains over equal power allocation for practical antenna configurations (e.g., up to a few hundred). However, with fixed number of users (N), these gains diminish as M turns to infinity, and equal power allocation becomes optimal. A different conclusion is drawn for the case where both M and N grow large together, in which case: (i) improved rates are achieved as M grows with fixed M/N ratio, and (ii) the relative gains over the equal power allocation diminish as M/N grows. Moreover, we also provide applicable values of M/N under an acceptable power allocation gain threshold, which can be used as to determine when the proposed power allocation schemes yield appreciable gains, and when they do not. From the network point of view, the proposed scheduling approach can achieve almost the same performance as the joint power allocation after one scheduling round, with much reduced complexity.

研究动机与目标

• 解决多小区大规模MIMO系统中联合功率分配的高复杂度问题。
• 开发一种实用的功率分配策略，以最小的信令和计算开销最大化总速率。
• 表征在不同基站天线数（M）和用户数（N）下，优化功率分配相对于等功率分配的性能增益。
• 确定功率分配产生显著增益的条件，特别是在M和N共同增长的渐近区域。

提出的方法

• 引入一种调度机制，仅在单个时隙内让非干扰小区调整功率，从而降低协调复杂度。
• 推导出在迫零检测下上行链路可实现速率的可处理下界、上界和近似表达式。
• 提出一种针对迫零预编码下下行链路速率的紧致下界，从而实现高效优化。
• 推导出在调度约束下最大化每小区总速率的闭式功率分配策略。
• 利用大系统分析研究当M→∞且M/N→常数时的渐近行为，借助随机矩阵理论。
• 应用詹森不等式和几乎必然收敛性，推导出速率表达式的紧致近似。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用迫零处理的多小区大规模MIMO系统中，优化功率分配相较于等功率分配的可实现总速率增益是多少？
• RQ2 当用户数N固定时，功率分配的性能增益如何随基站天线数M的增加而变化？
• RQ3 M/N比对功率分配相对增益的影响如何，特别是在M和N均大幅增长的渐近区域？
• RQ4 低复杂度的基于调度的功率分配方案能否实现接近联合优化的性能？
• RQ5 在何种M/N比下，功率分配的增益变得可忽略，该阈值如何用于系统设计？

主要发现

• 当N固定时，随着M→∞，优化功率分配的总速率增益逐渐减小，等功率分配在渐近极限下成为最优方案。
• 当M和N以固定的M/N比共同增长时，随着M的增加，频谱效率得到提升，但相对于等功率分配的相对增益随M/N的增加而减小。
• 所提出的基于调度的功率分配方案在一次调度轮次后，可实现与联合优化几乎相同的总速率，且复杂度显著降低。
• 在实际M值下（例如，M ≈ 100–200），与等功率分配相比，速率提升可达数百个百分点。
• 本文提供了M/N的一个定量阈值，超过该阈值后功率分配的增益将变得不明显，使系统设计者能够判断此类方案是否具有实际效益。
• 所推导的下行链路速率下界被证明非常紧致，可实现精确的性能评估与优化。