[论文解读] Transceiver design for single-cell and multi-cell downlink multiuser MIMO systems

Tadilo Endeshaw Bogale|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 76被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在完美与非完美信道状态信息下，针对下行链路多用户MIMO系统，基于SINR、MSE和速率优化的集中式与分布式线性收发器设计，采用多种功率约束条件。该文建立了新型MSE下行链路干扰对偶性，并证明了加权和速率最大化与加权和MSE最小化等价，从而可通过对偶性和分解方法实现高效求解。

ABSTRACT

This thesis designs linear transceivers for the down link multiple user multiple input multiple output single-cell and multiple-cell systems. The transceivers are designed by assuming perfect and imperfect channel state information at the BS and mobile stations (MS). Different signal to interference plus noise ratio, mean square error and rate-based design criteria are considered. These design criteria are formulated by considering total BS, per BS antenna, per user, per symbol or a combination of per BS antenna and per user (symbol) power constraints. To solve these problems generalized down link up link and down link interference duality approaches are proposed. We have also shown that the weighted sum rate maximization problem can be equivalently formulated as weighted sum mean square error minimization problem with additional optimization variables and constraints. We also develop distributed transceiver design algorithms to solve weighted sum rate and mean square error optimization problems for coordinated BS systems. The distributed transceiver design algorithms employ modify matrix fractional minimization and Lagrangian dual decomposition methods.

研究动机与目标

• 解决在非完美与完美CSI条件下，单小区与多小区下行链路多用户MIMO系统中线性收发器的设计问题。
• 在包括总基站功率、每根天线功率、用户功率及组合约束等多种功率约束下，制定收发器优化问题。
• 为协调式基站系统设计集中式与分布式算法，以优化加权和速率与MSE。
• 建立新的理论对偶框架——上行链路-下行链路对偶性与MSE下行链路干扰对偶性，以支持鲁棒收发器设计。
• 证明在引入额外变量与约束条件下，加权和速率最大化与加权和MSE最小化之间的等价性。

提出的方法

• 通过在上行链路与下行链路信道之间转换对角形功率分配矩阵，利用上行链路-下行链路对偶性。
• 通过将干扰信道的噪声协方差建模为不动点与弱稳定切换系统，引入MSE下行链路干扰对偶性。
• 通过引入额外优化变量与约束，将加权和速率最大化问题转化为加权和MSE最小化问题。
• 在协调式基站系统的分布式算法中，应用改进的矩阵分数最小化与拉格朗日对偶分解方法。
• 使用二阶锥规划（SOCP）与序列二次规划（SQP）求解所得凸近似问题。
• 通过在干扰建模中利用离散时间切换系统的稳定性特性，确保收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在总基站功率约束下，如何针对非完美CSI条件 formulate 鲁棒收发器设计？
• RQ2 何种对偶原理可实现MIMO下行链路系统中加权和速率与加权和MSE优化之间的等价性？
• RQ3 如何为协调式多基站MIMO系统设计分布式收发器算法，以满足每根天线与每个用户功率约束？
• RQ4 切换系统建模在建立干扰信道新对偶框架中起何种作用？
• RQ5 所提出的MSE下行链路干扰对偶性在何种方面推广了现有MIMO收发器设计的对偶方法？

主要发现

• 通过将噪声协方差矩阵建模为弱稳定的离散时间切换系统，本文建立了新的MSE下行链路干扰对偶性，实现了在非完美CSI条件下的鲁棒设计。
• 当引入额外变量与约束后，证明了加权和速率最大化与加权和MSE最小化等价，从而可通过基于MSE的框架实现高效优化。
• 对于总功率受限的鲁棒收发器设计，通过上行链路-下行链路对偶性与对角形功率分配矩阵转换，获得最优解。
• 基于拉格朗日对偶分解与矩阵分数最小化的分布式算法，在协调式MIMO系统中实现收敛，并达到接近集中式解的性能。
• 所提出的对偶框架可高效处理复杂功率约束，包括每根天线与用户功率限制，从而提升频谱效率与鲁棒性。
• 数值结果表明，所提算法在非完美CSI条件下实现了接近最优的和速率与MSE性能，验证了理论对偶性结论。