[论文解读] Uplink Macro Diversity of Limited Backhaul Cellular Network

Amichai Sanderovich, Oren Somekh+2 more|ArXiv.org|May 29, 2008

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 17被引用 7

一句话总结

本文研究了在有限容量回传链路下采用联合多小区处理的蜂窝网络上行链路性能，提出压缩转发与部分本地解码方案。推导了Wyner线性模型与软切换模型的闭式可实现速率，表明即使回传容量适中，其性能也接近理想（无限回传）系统性能，且量化了高信噪比（SNR）区域的回传容量标度律。

ABSTRACT

In this work new achievable rates are derived, for the uplink channel of a cellular network with joint multicell processing, where unlike previous results, the ideal backhaul network has finite capacity per-cell. Namely, the cell sites are linked to the central joint processor via lossless links with finite capacity. The cellular network is abstracted by symmetric models, which render analytical treatment plausible. For this idealistic model family, achievable rates are presented for cell-sites that use compress-and-forward schemes combined with local decoding, for both Gaussian and fading channels. The rates are given in closed form for the classical Wyner model and the soft-handover model. These rates are then demonstrated to be rather close to the optimal unlimited backhaul joint processing rates, already for modest backhaul capacities, supporting the potential gain offered by the joint multicell processing approach. Particular attention is also given to the low-SNR characterization of these rates through which the effect of the limited backhaul network is explicitly revealed. In addition, the rate at which the backhaul capacity should scale in order to maintain the original high-SNR characterization of an unlimited backhaul capacity system is found.

研究动机与目标

• 分析在现实有限容量回传约束下的蜂窝网络联合多小区处理上行链路性能。
• 建立并量化有限回传容量导致的性能退化，与理想（无限容量）回传系统进行比较。
• 推导对称蜂窝模型中压缩转发与部分本地解码方案的可实现速率。
• 确定为保持理想联合处理系统高SNR特性所需回传容量的标度律。
• 表征系统在低SNR行为，并明确揭示回传约束的影响。

提出的方法

• 采用Wyner的对称蜂窝模型与软切换模型，以实现分析上的可处理性。
• 在基站采用Wyner-Ziv压缩的压缩转发策略，将压缩信号转发至中心联合处理单元。
• 提出一种部分本地解码方案，用户将消息分为部分，分别在本地与联合处理中解码。
• 基于互信息与有效干扰功率，利用不动点方程，推导高斯信道与衰落信道的闭式可实现速率。
• 在本地解码与无感知联合处理之间采用时分复用，以在回传约束下优化性能。
• 通过渐近分析与遍历性论证，推导可实现速率在高SNR与低SNR区域的表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 与理想回传系统相比，有限回传容量如何影响联合多小区处理系统中的可实现上行链路速率？
• RQ2 当回传容量受限时，压缩速率与解码增益之间的最优权衡是什么？
• RQ3 在对称蜂窝模型中，有限回传性能能多接近理想无限回传性能？
• RQ4 回传容量需遵循何种标度律，才能保持联合处理的高SNR分集增益？
• RQ5 系统在低SNR下的性能表现如何，回传约束的直接影响是什么？

主要发现

• 对于Wyner模型与软切换模型，即使在适中回传容量下，有限回传的可实现速率也与理想无限回传速率非常接近。
• 为保持联合处理的高SNR分集增益，回传容量必须随SNR对数标度，具体为高SNR下O(log P)的标度形式。
• 在低SNR区域，通过修正的有效信噪比明确揭示了有限回传的影响，表明压缩导致直接的速率惩罚。
• 采用Wyner-Ziv压缩的压缩转发方案实现了近似最优性能，且在高斯信道与衰落信道中均推导出可实现速率的闭式表达式。
• 本地解码与无感知联合处理之间的时分复用可获得优于单一方案的速率区域，最优权衡通过不动点方程推导得出。
• 推导的速率表达式通过严格的渐近分析得到验证，表明在理想条件下收敛至已知极限。