[论文解读] Vector Bin-and-Cancel for MIMO Distributed Full-Duplex

Jingwen Bai, Chris Dick+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2014

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在MIMO分布式全双工网络中使用移动终端间带外辅助信道的向量删减与取消策略，以缓解同频移动终端间干扰。通过利用Han-Kobayashi消息分拆技术，该方案在常数比特范围内达到容量区域，显著提升了广义自由度（GDoF）和分集复 multiplexing tradeoff（DMT），尤其在辅助信道带宽或接收天线数量增加时，降低了对发射端信道状态信息（CSIT）的依赖。

ABSTRACT

In a multi-input multi-output (MIMO) full-duplex network, where an in-band full-duplex infrastruc- ture node communicates with two half-duplex mobiles supporting simultaneous up- and downlink flows, the inter-mobile interference between the up- and downlink mobiles limits the system performance. We study the impact of leveraging an out-of-band side-channel between mobiles in such network under different channel models. For time-invariant channels, we aim to characterize the generalized degrees- of-freedom (GDoF) of the side-channel assisted MIMO full-duplex network. For slow-fading channels, we focus on the diversity-multiplexing tradeoff (DMT) of the system with various assumptions as to the availability of channel state information at the transmitter (CSIT). The key to the optimal performance is a vector bin-and-cancel strategy leveraging Han-Kobayashi message splitting, which is shown to achieve the system capacity region to within a constant bit. We quantify how the side-channel improve the GDoF and DMT compared to a system without the extra orthogonal spectrum. The insights gained from our analysis reveal: i) the tradeoff between spatial resources from multiple antennas at different nodes and spectral resources of the side-channel, and ii) the interplay between the channel uncertainty at the transmitter and use of the side-channel.

研究动机与目标

• 分析在移动终端间存在带外辅助信道的MIMO全双工网络中的广义自由度（GDoF）。
• 在发射端信道状态信息（CSIT）可用性不同的慢衰落信道下，刻画分集复 multiplexing tradeoff（DMT）特性。
• 研究在干扰抑制中空间资源（天线数）与频谱资源（辅助信道带宽）之间的权衡关系。
• 确定辅助信道协助可消除对CSIT依赖的条件，从而简化收发器设计。
• 量化辅助信道的带宽与信噪比（SNR）需求，以在无CSIT条件下实现最优DMT性能。

提出的方法

• 基于Han-Kobayashi消息分拆技术，采用向量删减与取消策略，以管理MIMO全双工系统中的干扰。
• 通过在主信道与辅助信道间优化功率与速率分配，推导出在时不变信道下的GDoF区域。
• 采用两阶段优化框架：首先最小化由干扰引起的自由度损失，随后根据CSIT可用性分配资源。
• 引入带和速率与功率分配约束的双优化问题，使用有序变量以最小化目标函数。
• 通过将辅助信道建模为具有SNR扩展的衰落链路，分析DMT性能，并推导出补偿无CSIT时性能损失所需的辅助信道带宽。
• 推导出在不同CSIT假设下的DMT闭式表达式，表明所需辅助信道带宽与基站天线数成反比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在同频移动终端干扰的MIMO全双工网络中，辅助信道带宽如何影响广义自由度（GDoF）？
• RQ2 在何种条件下，辅助信道可消除对发射端信道状态信息（CSIT）的需求？
• RQ3 当CSIT不可用时，为实现最优分集复 multiplexing tradeoff（DMT），所需辅助信道带宽是多少？
• RQ4 基站与移动终端的天线数与辅助信道频谱资源之间如何权衡以实现性能增益？
• RQ5 发射端信道不确定性对辅助信道带来的性能增益有何影响？

主要发现

• 向量删减与取消方案在常数比特范围内达到容量区域，表现出接近最优的性能。
• 当 $ N_{\mathrm{dl}} \geq M_{\mathrm{ul}} $ 时，CSIT不再提供增益，因为GDoF已在无CSIT时达到最大值。
• 当 $ M_{\mathrm{ul}} > N_{\mathrm{dl}} $ 时，CSIT可减少实现无干扰性能所需的辅助信道带宽。
• 在慢衰落信道下，为补偿无CSIT而需的辅助信道带宽与基站天线数成反比，即 $ W \propto \frac{1}{M} $。
• 当无CSIT时，辅助信道的信噪比（SNR）必须随基站天线数增加而按比例扩展，以维持最优DMT性能。
• 通过增加下行链路接收天线数或辅助信道带宽，可提升DMT性能，从而降低对CSIT的依赖。