[论文解读] Transmission Mode Selection for Downlink Coordinated Multi-Point Systems

Qian Zhang, Chenyang Yang|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2012

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文提出一种以用户为中心的传输模式选择方案，通过动态切换CoMP联合处理（CoMP-JP）与非CoMP传输，在考虑训练开销后最大化频谱效率。基于用户位置、信道条件及系统参数的闭式模式选择规则，该方法在小区中心用户中吞吐量高于纯CoMP，在小区边缘用户中吞吐量高于非CoMP，同时显著降低回传负载。

ABSTRACT

Coordinated multi-point (CoMP) transmission has been widely recognized as a spectrally efficient technique in future cellular systems. To exploit the abundant patial resources provided by the cooperating base stations, however, considerable training overhead is required to acquire the channel information. To avoid the extra overhead outweighing the cooperative gain, we propose a method that allows each user to select transmission mode between coherent CoMP and Non-CoMP. We first analyze the average throughput of each user under CoMP and Non-CoMP transmission after taking into account the downlink training overhead. A closed-form mode selection rule is then developed, which depends on the user location and system settings, i.e, the number of cooperating base stations and transmit antennas, training overhead and cell-edge signal to noise ratio. Simulation results show that the proposed downlink transmission mode selection method achieves higher throughput than CoMP for cell-center users and than Non-CoMP for cell-edge users after accounting for the overhead. As a by-product, the backhaul load is also reduced significantly.

研究动机与目标

• 解决CoMP中协作增益与信道训练开销之间的权衡，特别是在高速移动或高信噪比环境中。
• 克服因训练开销过大导致CoMP在小区中心用户中性能下降的问题。
• 通过根据用户特定条件仅对受益用户启用CoMP，从而减少回传负载。
• 开发一种基于统计CSI的用户侧模式选择机制，避免额外控制信令。
• 在协调多点下行链路传输中实现频谱效率与系统开销之间的平衡。

提出的方法

• 基于用户位置、协作基站数量、发射天线数、训练开销及小区边缘信噪比，制定闭式传输模式选择规则。
• 在瑞利衰落信道下，推导出CoMP与非CoMP模式的吞吐量上界，通过导频开销因子β引入训练开销。
• 采用统计信道模型，其中小尺度衰落为i.i.d.瑞利衰落，大尺度衰落包含路径损耗与阴影衰落。
• 应用以用户为中心的决策规则：每个用户根据相对于频谱增益的等效训练开销最小化原则，在CoMP-JP与非CoMP之间选择。
• 采用SUS调度算法模拟用户吞吐量并验证模式选择性能。
• 考虑带宽为20 MHz的OFDM系统及16-QAM调制，将回传负载建模为与CoMP用户数成正比。

实验结果

研究问题

• RQ1 训练开销如何影响不同用户位置下CoMP传输的净频谱效率增益？
• RQ2 基于用户侧的闭式传输模式选择规则是否能在所有用户位置上优于固定CoMP或非CoMP操作？
• RQ3 基于用户信道条件与系统参数，CoMP与非CoMP之间的最优切换阈值是什么？
• RQ4 与全CoMP部署相比，所提出的模式选择在多大程度上减少了回传负载？
• RQ5 在真实信道条件下，所推导的吞吐量上界在预测实际系统性能方面有多准确？

主要发现

• 所提出的模式选择方法在考虑训练开销后，对小区中心用户实现的平均吞吐量高于纯CoMP，对小区边缘用户实现的平均吞吐量高于非CoMP。
• 在5 dB小区边缘信噪比下，该模式选择方案将回传负载降低至全CoMP系统的约一半，而在0 dB信噪比下回传负载减少50%。
• 模式选择规则中对信道估计效率的近似对性能影响可忽略不计，验证了分析上界的有效性。
• 仿真结果表明，基于吞吐量上界推导的模式选择性能与基于模拟平均吞吐量的性能高度一致，表明所推导上界具有紧致性。
• 该方法通过仅在频谱增益超过训练开销的用户上启用CoMP，显著降低了回传负载，尤其使小区边缘用户受益。
• 结果表明，在高小区边缘信噪比下，仅依赖信道增益不平衡不足以进行模式选择；必须联合考虑用户位置与信噪比。