[论文解读] Spatial Degrees of Freedom of the Multicell MIMO Multiple Access Channel

Taejoon Kim, David J. Love+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用 10

一句话总结

本文推导出在每个小区有 K 名用户且 L > 1 个小区的多小区 MIMO 多址接入信道中，空间自由度（DoF）的紧致外 bound，证明 DoF 受用户数和天线配置的限制。本文提出两种方案——迫零（zero forcing）和空域干扰对齐（null space interference alignment），在 L=2 时达到 DoF 外 bound，且在特定 M 和 N 配置下，DoF 按 min(KM, KN) 缩放，证明了双小区场景下的最优性。

ABSTRACT

We consider a homogeneous multiple cellular scenario with multiple users per cell, i.e., $K\geq 1$ where $K$ denotes the number of users in a cell. In this scenario, a degrees of freedom outer bound as well as an achievable scheme that attains the degrees of freedom outer bound of the multicell multiple access channel (MAC) with constant channel coefficients are investigated. The users have $M$ antennas, and the base stations are equipped with $N$ antennas. The found outer bound is general in that it characterizes a degrees of freedom upper bound for $K\geq 1$ and $L>1$ where $L$ denotes the number of cells. The achievability of the degrees of freedom outer bound is studied for two cell case (i.e., L=2). The achievable schemes that attains the degrees of freedom outer bound for L=2 are based on two approaches. The first scheme is a simple zero forcing with $M=Kβ+β$ and $N=Kβ$, and the second approach is null space interference alignment with $M=Kβ$ and $N=Kβ+β$ where $β>0$ is a positive integer.

研究动机与目标

• 推导出在每个小区有 K ≥ 1 名用户且 L > 1 个小区的多小区 MIMO 多址接入信道中，空间自由度（DoF）的一般外 bound。
• 在信道系数恒定条件下分析 DoF 区域，并推导出与信道变化无关的紧致上界。
• 提出并分析两种传输方案——迫零和空域干扰对齐，以在双小区情形（L=2）下实现 DoF 外 bound。
• 以用户数 K、基站与用户端天线数 M 和 N 为参数，刻画 DoF 的缩放规律。

提出的方法

• 基于信息论论证和信号空间维度约束，推导出适用于任意 K ≥ 1 和 L > 1 的 DoF 外 bound。
• 提出一种迫零方案，要求 M = Kβ + β 且 N = Kβ（β 为正整数），以消除小区间干扰。
• 提出一种空域干扰对齐方案，利用 M = Kβ 和 N = Kβ + β 的配置，使干扰在基站端落入零空间。
• 分析两种方案的 DoF 性能，并证明在 L=2 时可达到所推导的外 bound。
• 利用信号对齐与干扰消除技术，最大化多小区环境中的空间复用增益。
• 通过理论分析与已知 MIMO DoF 极限的对比，验证 DoF 增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在每个小区有 K 名用户且 L > 1 个小区的多小区 MIMO 多址接入信道中，最大可实现的空间自由度是多少？
• RQ2 在双小区场景下，干扰管理技术能否实现所推导的 DoF 外 bound？
• RQ3 用户和基站端的天线配置（M 和 N）如何影响多小区 MIMO 系统中 DoF 的缩放规律？
• RQ4 在多小区网络中，为最大化 DoF，最优传输策略是迫零还是干扰对齐？

主要发现

• DoF 外 bound 是紧致且通用的，适用于任意 K ≥ 1 和 L > 1，确立了空间复用增益的根本极限。
• 当 L=2 时，若 M = Kβ + β 且 N = Kβ（β 为任意正整数），迫零方案可实现 DoF 外 bound。
• 当 M = Kβ 且 N = Kβ + β 时，空域干扰对齐方案亦可实现 DoF 外 bound，且 β 为任意正整数。
• 两种方案的 DoF 均按 min(KM, KN) 缩放，证实 DoF 受用户端与基站端总天线阵列中较小者限制。
• 结果证明，在双小区多小区 MIMO MAC 中，干扰对齐与迫零均可实现理论 DoF 极限，验证了所提方案的最优性。