[论文解读] Spatial multiplexing with MMSE receivers: Single-stream optimality in ad hoc networks

Raymond H. Y. Louie, Matthew R. McKay+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用 11

一句话总结

本文研究了在泊松点过程建模的随机遇主网络中，使用MMSE接收机的空分复用，推导出中断概率和传输容量的精确闭式表达式。结果表明，即使采用最优线性处理，单流传输仍优于多流传输，原因在于MMSE对 cancellation 后残留干扰较弱，尤其是最强干扰源的干扰。

ABSTRACT

The performance of spatial multiplexing systems with linear minimum-mean-squared-error receivers is investigated in ad hoc networks. It is shown that single-stream transmission is preferable over multi-stream transmission, due to the weaker interference powers from the strongest interferers remaining after interference-cancelation. This result is obtained by new exact closed-form expressions we derive for the outage probability and transmission capacity.

研究动机与目标

• 分析随机分布的发射机在随机遇主网络中使用MMSE接收机的空分复用性能。
• 确定在中断概率和传输容量方面，单流传输与多流传输何者更优。
• 推导出任意发射和接收天线数下的中断概率和传输容量的精确闭式表达式。
• 研究MMSE对 cancellation 后残留干扰对网络性能扩展的影响。

提出的方法

• 将网络建模为强度为 λ 的齐次泊松点过程（PPP），以表示二维平面上随机分布的发射机位置。
• 以原点处的典型接收机为参考，利用Slivnyak定理将所有其他发射机视为带标记的PPP。
• 利用随机几何和积分变换，推导出中断概率和传输容量的精确闭式表达式。
• 采用广义超几何函数和单项对称多项式，以计算由干扰功率分布产生的复杂数积分。
• 分析当干扰范围 a → ∞ 时的渐近行为，以获得网络性能度量的可处理表达式。
• 利用MMSE接收机在增强期望信号与干扰抵消之间实现平衡的能力，比较单流与多流传输的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用MMSE接收机的随机遇主网络中，单流传输是否优于多流传输？
• RQ2 在MMSE处理后，单流与多流配置中最强干扰源的残留干扰功率有何差异？
• RQ3 在任意发射和接收天线数下，空分复用系统中中断概率和传输容量的精确闭式表达式是什么？
• RQ4 在MMSE接收下，传输容量如何随接收天线数和数据流数扩展？
• RQ5 干扰抵消对空分复用增益与干扰泄漏之间性能权衡有何影响？

主要发现

• 在使用MMSE接收机的随机遇主网络中，单流传输优于多流传输，原因在于MMSE对 cancellation 后最强干扰源的残留干扰更弱。
• 本文推导出任意发射和接收天线数下的中断概率和传输容量的精确闭式表达式，实现了性能的精确评估。
• 传输容量与接收天线数呈线性扩展，与使用次优接收机的先前结果一致，但此处基于最优MMSE处理。
• 由于MMSE接收机能有效抑制最强干扰源，单流系统中的残留干扰功率显著降低，从而减小了对期望信号的影响。
• 所推导的表达式证实，单流传输的性能增益并非仅源于频谱效率，而是源于MMSE处理后残留干扰的结构特性。
• 渐近分析表明，当 L 个最强干扰源被取消时，中断概率以 o(ε^{1/L}) 的速率衰减，支持在最优线性处理下单流传输的最优性。