[論文レビュー] Rate-Splitting Multiple Access for Cooperative Multi-Cell Networks.

Yijie Mao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、個々のQoSおよび電力制約のもとで重み付き和レート（WSR）を最大化するために、協調的マルチセルネットワークにおけるレートスプリット多重アクセス（RSMA）を提案する。データストリームを分割し、逐次干渉キャンセレーションを適用することで、さまざまなチャネル状態においてSDMAやNOMAを上回る性能を発揮し、優れたスペクトル効率、ロバストネス、QoS保証を実現する。

ABSTRACT

As a promising downlink multiple access scheme, Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) has been shown to achieve superior spectral and energy efficiencies compared with Space-Division Multiple Access (SDMA) and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in downlink single-cell systems. By relying on linearly precoded rate-splitting at the transmitter and successive interference cancellation at the receivers, RSMA has the capability of partially decoding the interference and partially treating the interference as noise, and therefore copes with a wide range of user deployments and network loads. In this work, we further investigate RSMA in cooperative multi-cell networks. Specifically, we study the optimal beamformer design to maximize the Weighted Sum-Rate (WSR) of all the users subject to individual Quality of Service (QoS) rate constraints and per base station power constraints. Numerical results show that, in a fully cooperative multi-cell network, RSMA achieves significant WSR improvement over SDMA and NOMA in a wide range of inter-user and inter-cell channel strength disparities. Specifically, SDMA (resp. NOMA) is more suited to deployments with little (resp. large) inter-user channel strength disparity and large (resp. little) inter-cell channel disparity, while RSMA is suited to any deployment. We conclude that RSMA provides rate, robustness and QoS enhancements over SDMA and NOMA in cooperative multi-cell networks.

研究の動機と目的

• 変動するユーザーおよびセルのチャネル状態を有する協調的マルチセルネットワークにおいて、高いスペクトル効率とロバストな性能を達成する課題に対処すること。
• 特定のチャネル差異下で性能が著しく低下する既存の手法（例：SDMAやNOMA）の限界を克服すること。
• 個々のユーザーのQoSおよび各基地局の電力制約を満たしつつ、重み付き和レートを最大化するための最適ビームフォーミング戦略を設計すること。
• ユーザー間およびセル間のチャネル利得差異が広範囲にわたる状況において、RSMAの汎用性と優位性を実証すること。
• ネットワーク展開特性に依存せずに高い性能を維持する統一された多重アクセスフレームワークを提供すること。

提案手法

• 基地局で線形プリコーディングを用い、データストリームを共通ストリームとプライベートストリームに分割することで、部分的な干渉の復調と部分的な干渉のノイズとしての処理を可能にする。
• ユーザー端末で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、プライベートストリームを復元する前に共通ストリームを復元することで、有効干渉を低減する。
• 個々のユーザーのレート制約および各基地局の電力制限を満たす条件下で、重み付き和レート最大化問題を定式化する。
• 凸最適化技術を用いてビームフォーマ設計問題を解き、グローバル最適解への収束を保証する。
• 完全な基地局間協調を想定し、複数セルにまたがる共同ビームフォーミングを可能にする協調的マルチセルネットワークをモデル化する。
• 協調ビームフォーミングおよびレートスプリット戦略を通じて、RSMAフレームワークに干渉管理機能を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザー間およびセル間のチャネル利得差異が多様な状況下で、RSMAはSDMAおよびNOMAに比べて重み付き和レート（WSR）でどの程度優れた性能を示すか？
• RQ2 どのような展開環境下で、RSMAはスペクトル効率およびQoS供与の観点からSDMAおよびNOMAを上回るか？
• RQ3 SDMAおよびNOMAとは異なり、RSMAは高いおよび低いユーザー間チャネル差異の両方の状況下でも高い性能を維持できるか？
• RQ4 セル間干渉がRSMAの性能に与える影響は、SDMAおよびNOMAと比較してどのように異なるか？
• RQ5 RSMAにおける共同ビームフォーミング設計は、システム和レートを最大化しつつ、個々のユーザーのQoSをどのように確保するか？

主な発見

• RSMAは、ユーザー間およびセル間のチャネル利得差異が広範囲にわたる状況において、SDMAおよびNOMAを著しく上回る重み付き和レート（WSR）の向上を達成する。
• SDMAはユーザー間差異が小さい状況およびセル間差異が大きい状況で最良の性能を示すが、NOMAはユーザー間差異が大きく、セル間差異が小さい状況で優れた性能を発揮する。
• RSMAはチャネル利得の分布に依存せず高い性能を維持するため、優れたロバストネスを示す。
• 提案されたRSMAビームフォーミング設計は、個々のユーザーのQoS制約を適切に満たしつつ、システムのスペクトル効率を最大化するのに成功している。
• 完全に協調的なマルチセルネットワークにおいて、RSMAはSDMAおよびNOMAに比べて向上したレート、ロバストネス、QoS性能を提供する。
• 数値的結果により、RSMAが多様なネットワーク展開に適した汎用的かつスケーラブルな多重アクセスソリューションであることが確認された。