[論文レビュー] Multi-User Rate Splitting in Optical Wireless Networks

Ahmad Adnan Qidan, Khulood D. Alazwary+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2022

Optical Network Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ユーザー集約、ブラインド干渉整合に基づく外部プレコーディング、最適化された電力割り当てを組み合わせることで、干渉グループ内およびグループ間干渉を管理する、制限付きCSI-RS方式を提案する。この方式は、RSおよびBIAベンチマークと比較して、スペクトル効率が高く、BERが低く、エネルギー効率が向上しており、ユーザー数が増加するにつれて顕著である。

ABSTRACT

Optical wireless communication (OWC) has recently received massive interest as a new technology that can support the enormous data traffic increasing on daily basis. Laser-based OWC networks can provide terabits per second (Tbps) aggregate data rates. However, the emerging OWC networks require clusters of optical transmitters to provide uniform coverage for multiple users. In this context, multi-user interference (MUI) is a crucial issue that must be managed efficiently to provide high spectral efficiency. Rate splitting (RS) is proposed as a transmission scheme to serve multiple users simultaneously by splitting the message of a given user into common and private messages, and then, each user decodes the desired message following a certain procedure. In radio frequency (RF) networks, RS provides higher spectral efficiency compared with orthogonal and non-orthogonal transmission schemes. Considering the high density of OWC networks, the performance of RS is limited by the cost of providing channel state information (CSI) at transmitters and by the noise resulting from interference cancellation. In this work, a user-grouping algorithm is proposed and used to form multiple groups, each group contains users spatially clustered. Then, an outer precoder is designed to manage inter-group interference following the methodology of blind interference alignment (BIA), which reduces the requirements of CSI at RF or optical transmitters. For intra-group interference, RS is applied within each group where the users belonging to a given group receive a unique common message on which their private messages are superimposed. Furthermore, an optimization problem is formulated to allocate the power among the private messages intended to all users such that the sum rate of the network is maximized.

研究の動機と目的

• 送信機における制限付きチャネル状態情報（CSI）を有する高密度光学無線ネットワーク（OWC）におけるマルチユーザー干渉（MUI）を解消すること。
• レートスプリッティング（RS）を用いることで、同時に複数ユーザーの送信を可能にし、OWCにおけるスペクトル効率とユーザーの公平性を向上させること。
• ユーザー集約とブラインド干渉整合（BIA）を組み合わせたハイブリッドアプローチにより、CSIフィードバックのオーバーヘッドと干渉キャンセレーションノイズを低減すること。
• ユーザー群内のプライベートメッセージ間での最適化された電力割り当てにより、ネットワークの和レートを最大化すること。
• ユーザーのチャネル品質とグループ構造に基づいて動的に電力を割り当てることで、エネルギー効率を向上させること。

提案手法

• 空間クラスタリングに基づいてユーザーをグループ化し、グループ内干渉を最小限に抑え、干渉管理を簡素化する。
• チャネルコherence時間とユーザー分布にのみ依存し、最小限のCSIで十分な干渉抑制が可能な、ブラインド干渉整合（BIA）を用いた外部プレコーダーを設計する。
• 各グループ内では、レートスプリッティングを適用：ユーザーは共通メッセージをデコードした後、プライベートメッセージをデコードすることで、干渉整合と逐次干渉キャンセレーションを実現する。
• 和レートを最大化するための電力割り当て最適化問題を定式化し、計算複雑度を低減するために複数の乗数法を用いて近似的な解を得る。
• 信号伝送にマルチレベルN-PAM変調を用い、線形性を確保するとともに、さまざまなSNRにおけるBER評価を可能にする。
• 提案された制限付きCSI-RS方式は、ユーザー集約、BIAに基づくプレコーディング、動的電力割り当てを統合し、性能と複雑度のバランスを図る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機における制限付きCSIを有する高密度OWCネットワークにおいて、マルチユーザー干渉を効果的に管理する方法は何か？
• RQ2 ユーザー集約は、OWCシステムにおけるレートスプリッティングの性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ブラインド干渉整合（BIA）をレートスプリッティングと効果的に組み合わせることで、CSI要件を低減しつつ高いスペクトル効率を維持できるか？
• RQ4 プライベートメッセージ間での最適化された電力割り当ては、マルチユーザーOWCネットワークにおける和レートとエネルギー効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 従来のRSおよびBIAと比較して、提案された制限付きCSI-RS方式は、和レート、BER、エネルギー効率の観点でどの程度の性能向上を達成するか？

主な発見

• 制限付きCSI-RS方式は、ユーザー数が増加する（最大40ユーザーまで）に伴い和レートが上昇し、すべてのシナリオでRSおよびBIAを上回る性能を示す。
• 14 dB SNRにおいて、制限付きCSI-RS方式のBERは10^-3未満であるのに対し、RSおよびBIA方式はそれぞれ10^-3を超えると10^-2を超えるBERを示す。
• 提案方式は干渉キャンセレーションからのノイズを低減し、従来のRSおよびBIAと比較してBERが低く、信頼性が向上している。
• ユーザー数が20から40に増加するに伴い、効率的な電力割り当てとグループ間干渉抑制のおかげで、制限付きCSI-RS方式のエネルギー効率は従来のRSを上回り続ける。
• 動的電力割り当てアルゴリズムは、特に高ユーザー密度の環境において、固定電力割り当てと比較して和レートとエネルギー効率を向上させる。
• ユーザー集約とBIAに基づく外部プレコーディングの統合により、CSIフィードバック要件が顕著に低減されつつ、高いスペクトル効率を維持できる。