[论文解读] The Degrees of Freedom Region of the Two-User MIMO Broadcast Channel with Delayed CSI

Chinmay S. Vaze, Mahesh K. Varanasi|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2010

Wireless Communication Security Techniques被引用 27

一句话总结

本文研究了在发射端具有延迟信道状态信息（CSIT）的两用户MIMO广播信道的自由度（DoF）区域。针对一般K用户MIMO BC，推导出一个紧致的外边界，并通过一种考虑非对称天线配置的干扰对齐方案，证明了其在两用户系统及特定三用户配置下的紧致性。

ABSTRACT

The degrees of freedom (DoF) region of the fast-fading MIMO (multiple-input multiple-output) Gaussian broadcast channel (BC) is studied when there is delayed channel state information at the transmitter (CSIT). In this setting, the channel matrices are assumed to vary independently across time and the transmitter is assumed to know the channel matrices with some arbitrary finite delay. An outer-bound to the DoF region of the general $K$-user MIMO BC (with an arbitrary number of antennas at each terminal) is derived. This outer-bound is then shown to be tight for two classes of MIMO BCs, namely, (a) the two-user MIMO BC with arbitrary number of antennas at all terminals, and (b) for certain three-user MIMO BCs where all three receivers have an equal number of antennas and the transmitter has no more than twice the number of antennas present at each receivers. The achievability results are obtained by developing an interference alignment scheme that optimally accounts for multiple, and possibly distinct, number of antennas at the receivers.

研究动机与目标

• 表征在发射端具有延迟信道状态信息（CSIT）的快衰落MIMO广播信道的自由度（DoF）区域。
• 推导任意天线配置下K用户MIMO BC的DoF区域的一般外边界。
• 证明该外边界在两用户MIMO BC及具有相等接收天线和有限发射天线的特定三用户配置下的紧致性。
• 提出一种干扰对齐方案，有效处理在延迟CSIT下接收端存在多天线和非对称天线数的情况。

提出的方法

• 利用信息论不等式，在延迟CSIT条件下推导K用户MIMO广播信道DoF区域的一般外边界。
• 将推导出的外边界应用于证明两用户MIMO BC在所有终端任意天线数下的紧致性。
• 将外边界分析扩展至特定三用户MIMO BC，其中所有接收端天线数相等，且发射端天线数不超过每个接收端天线数的两倍。
• 提出一种新型干扰对齐方案，联合管理干扰并利用延迟CSIT在非对称天线配置下实现最优DoF。
• 采用信号子空间对齐技术，使干扰在接收端以不降低自由度的方式对齐，即使在信道知识延迟的情况下亦可实现。
• 通过构造满足指定信道和CSIT约束条件下的传输方案，验证了可达性的实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 当发射端仅具有延迟信道状态信息时，K用户MIMO广播信道的自由度（DoF）区域的根本极限是什么？
• RQ2 所推导的DoF区域外边界是否可在任意天线配置的两用户MIMO BC中实现？
• RQ3 对于具有相等接收天线的哪些三用户MIMO BC配置，DoF区域的外边界是紧致的？
• RQ4 如何调整干扰对齐以在接收端存在非对称天线数的MIMO BC中利用延迟CSIT？
• RQ5 延迟CSIT在支持具有异构天线阵列的多用户MIMO广播信道中实现最优DoF方面起到什么作用？

主要发现

• 所推导的DoF区域外边界在任意天线数的两用户MIMO广播信道中是紧致的。
• 该外边界在所有接收端天线数相同且发射端天线数不超过每个接收端天线数两倍的特定三用户MIMO BC中也是紧致的。
• 提出了一种干扰对齐方案，在延迟CSIT条件下即使接收端天线数不同，也能实现最优DoF区域。
• 所提出的方案通过将干扰对齐至不降低DoF的信号子空间，有效管理干扰，利用延迟CSIT协调传输。
• 研究结果表明，只要为非对称天线配置合理设计干扰对齐，延迟CSIT仍可在MIMO BC中支持最优DoF。
• 对于两用户MIMO BC及特定三用户MIMO BC，延迟CSIT下的DoF区域已得到完全表征，解决了文献中的开放问题。