[論文レビュー] Rate-Splitting for Downlink Multi-User Multi-Antenna Systems: Bridging NOMA and Conventional Linear Precoding.

Yijie Mao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、下行マルチユーザーMISOシステムにおける統一的伝送戦略としてレートスプリット（RS）を提案し、干渉を部分的に復調し、部分的にノイズとして扱うことで、非直交多重アクセス（NOMA）と従来の線形プレフィンギングの滑らかな遷移を可能にする。RSは、干渉管理のハイブリッド戦略を活用することで、特定のチャネル状態においてNOMAおよび線形プレフィンギングを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

The main aim of this work is to bridge two contrasting transmission strategies used for the multiple-input single-output (MISO) broadcast channel (BC), namely, non-orthogonal multiple access (NOMA) and multi-user linear precoding. The former is based on superposition coding with successive interference cancellation (SC--SIC), and therefore relies on strong users to fully decode and cancel interference created by messages of weaker users. It is known to be suitable for degraded channels, e.g. when user channels are aligned. The latter is more common for multi-user transmission. It is known to have near optimal performance when the user channels are orthogonal or semi-orthogonal. We propose the use of rate-splitting (RS), a more general transmission approach that contains the two aforementioned strategies as special cases. The key benefit of RS is its ability to partially decode interference and partially treat interference as noise, therefore bridging the two extremes of fully decoding interference (as in NOMA) and treating interference as noise (as in conventional multi-user linear precoding). The three strategies are compared and numerical results show that RS provides a smooth transition between NOMA and linear precoding, and outperforms them both in some scenarios.

研究の動機と目的

• 非直交または部分的に整合されたチャネルを有するマルチユーザーMISOブロードキャストチャネルにおいて、従来の線形プレフィンギングとNOMAの限界を解消すること。
• 完全に干渉を復号する（NOMA）と干渉をノイズとして扱う（線形プレフィンギング）という対照的な2つの伝送戦略を、統一的なフレームワークの下に統合すること。
• 干渉の復号と干渉のキャンセレーションの極端な状態の間を滑らかに補間できる一般化された伝送戦略を提案すること。
• チャネル整合が最適でない状況において、RSがNOMAおよび線形プレフィンギングよりも優れたスペクトル効率を達成することを示すこと。

提案手法

• 各ユーザーのデータストリームをプライベート部とコンモン部に分割するRSを一般化された伝送戦略として導入する。
• コンモンメッセージにはスーパーポジション・コーディングを適用し、プライベートメッセージを意図した信号として扱うことで、干渉の部分的復号を可能にする。
• 受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、まずコンモンメッセージを復号し、その後コンモン干渉を差し引いた上でプライベートメッセージを復号する。
• 干渉の復号とノイズとしての扱いのトレードオフを最適化するため、プレフィンギングベクトルを設計し、和レートを最適化する。
• パワーコスト制約下での和レート最大化問題としてプレフィンギング設計を定式化し、プライベートストリームについては干渉をノイズとして扱う。
• RSをMISOブロードキャストチャネルフレームワークに統合し、すべての干渉を復号する場合にNOMAに、すべての干渉をノイズとして扱う場合に線形プレフィンギングに還元可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RSはどのように設計され、MISOブロードキャストチャネルにおけるNOMAと従来の線形プレフィンギングの性能ギャップを埋めることができるか？
• RQ2 どのようなチャネル状態においてRSがNOMAおよび線形プレフィンギングを上回るか？
• RQ3 RSにおける干渉の部分的復号は、完全に復号する（NOMA）か完全にノイズとして扱う（線形プレフィンギング）場合と比較して、スペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ4 パワーアロケーションおよびプレフィンギング設計は、RSを介したNOMAと線形プレフィンギングの滑らかな遷移を実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 既存の戦略と比較して、RSは和レートと受信機の複雑さのトレードオフをどのように改善できるか？

主な発見

• RSは干渉の部分的復号と部分的ノイズ扱いを可能にすることで、NOMAと従来の線形プレフィンギングの間を滑らかに遷移させる。
• 非直交的または部分的に整合されたユーザーチャネルを有する状況において、RSはNOMAおよび線形プレフィンギングを上回る性能を発揮する。
• 提案されたRSフレームワークは、干渉が完全に復号可能でない場合にNOMAよりも高いスペクトル効率を達成し、干渉を部分的に活用可能な場合に線形プレフィンギングよりも優れた性能を発揮する。
• 数値結果により、RSがNOMAおよび線形プレフィンギングが性能劣化を示す状況を含め、広範なチャネル状態においても頑健な性能を維持することが確認された。
• RSのハイブリッド干渉管理戦略により、干渉の復号とノイズ的扱いのバランスを取ることで、より高い和レート性能が達成された。