[论文解读] The Degrees of Freedom Region and Interference Alignment for the MIMO Interference Channel with Delayed CSI

Chinmay S. Vaze, Mahesh K. Varanasi|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2011

Wireless Communication Security Techniques参考文献 22被引用 26

一句话总结

本文表征了在延迟信道状态信息（CSI）下的MIMO干扰信道的自由度（DoF）区域，证明了干扰对齐方案在所有天线配置下均达到外 bound。研究发现，延迟CSI相较于无CSI可实现显著的DoF增益，在某些场景下接近完美CSI的性能，并在实际反馈约束下对DoF区域提供了紧致表征。

ABSTRACT

The degrees of freedom (DoF) region of the 2-user multiple-antenna or MIMO (multiple-input, multiple-output) interference channel (IC) is studied under fast fading and the assumption of {\em delayed} channel state information (CSI) wherein all terminals know all (or certain) channel matrices perfectly, but with a delay, and each receiver in addition knows its own incoming channels instantaneously. The general MIMO IC is considered with an arbitrary number of antennas at each of the four terminals. Dividing it into several classes depending on the relation between the numbers of antennas at the four terminals, the fundamental DoF regions are characterized under the delayed CSI assumption for {\em all} possible values of number of antennas at the four terminals. In particular, an outer bound on the DoF region of the general MIMO IC is derived. This bound is then shown to be tight for all MIMO ICs by developing interference alignment based achievability schemes for each class. A comparison of these DoF regions under the delayed CSI assumption is made with those of the idealistic `perfect CSI' assumption where perfect and instantaneous CSI is available at all terminals on the one hand and with the DoF regions of the conservative `no CSI' assumption on the other, where CSI is available at the receivers but not at all at the transmitters.

研究动机与目标

• 表征在发射端仅具有不完整、过时信道知识的2用户MIMO干扰信道在延迟CSI下的自由度（DoF）区域。
• 建立一个在所有发射与接收天线配置下均紧致的DoF区域外 bound。
• 设计基于干扰对齐的传输方案，使其在延迟CSI下达到外 bound，证明延迟CSI相较于无CSI可实现显著的DoF增益。
• 将延迟CSI下的DoF区域与理想化的完美CSI和保守的无CSI假设下的DoF区域进行比较。
• 根据天线配置将MIMO IC划分为不同类别，并为每一类推导DoF区域表达式。

提出的方法

• 推导出在所有四终端具有任意天线数时，延迟CSI下MIMO IC的DoF区域的一般外 bound。
• 根据发射与接收天线数（M1, M2, N1, N2）的相对值将MIMO IC划分为多个情形，并分别分析每一情形。
• 提出基于干扰对齐的传输方案，利用延迟CSI将干扰预编码为对齐的线性组合，使接收端能解码期望信号并抑制干扰。
• 采用时分复用与信号空间分割方法，将干扰符号分配至各时隙，确保前一时隙的干扰可被重构并消除。
• 应用一种新颖的子集分配技术，将干扰符号分配至时隙，使得每个时隙可容纳有限数量的符号，从而保证方案的可行性。
• 通过证明所提出的干扰对齐方案在所有情形下（包括非对称天线配置）均达到外 bound，从而证明外 bound 的紧致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当发射端仅有延迟CSI时，2用户MIMO干扰信道的基本自由度（DoF）区域是什么？
• RQ2 延迟CSI下的DoF区域与完美CSI和无CSI下的DoF区域相比如何？
• RQ3 在延迟CSI下，干扰对齐方案能否达到DoF外 bound？若能，其在何种天线配置约束下成立？
• RQ4 非对称天线配置（M1, M2, N1, N2）对延迟CSI下可实现的DoF区域有何影响？
• RQ5 能否通过构造性干扰对齐方案在所有MIMO IC配置下证明DoF区域外 bound 的紧致性？

主要发现

• 具有延迟CSI的MIMO IC的DoF区域被表征为一个凸多面体区域，所推导的外 bound 在所有发射与接收天线配置下均被证明是紧致的。
• 所提出的干扰对齐方案在所有MIMO IC类别中均达到DoF外 bound，证明了延迟CSI相较于无CSI可实现显著的DoF增益。
• 对于具有2根发射天线和2个单天线用户的MISO BC，总DoF从无CSI时的1提升至延迟CSI时的4/3，证实了延迟反馈的增益。
• 在MIMO IC中，延迟CSI下的DoF区域在某些对称配置下趋近于完美CSI下的区域，表明延迟CSI在DoF层面几乎与完美CSI等效。
• 延迟CSI下的DoF区域严格大于无CSI下的区域，且在发射天线数少于接收天线数的非对称配置中增益最为显著。
• 通过所有情形下的构造性方案（包括需要复杂子集分配与信号空间分割的挑战性情形B.III.2）证明了外 bound 的紧致性。