[論文レビュー] Rate-Splitting Multiple Access for Enhanced URLLC and eMBB in 6G

Onur Dizdar, Yijie Mao+3 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、送信機における不完全なチャネル状態情報（CSIT）下でも、6Gネットワークにおける強固な多重アクセス方式としてレートスプリット多重アクセス（RSMA）を提案する。RSMAは、ユーザーのメッセージを共通ストリームとプライベートストリームに分割し、古くなったCSIに最適化されたパワー割り当てを用いることで、特にユーザー移動性および低遅延制約下において、SDMA や NOMA よりも顕著に高いスペクトル効率と信頼性を実現する。

ABSTRACT

Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) is a flexible and robust multiple access scheme for downlink multi-antenna wireless networks. RSMA relies on Rate-Splitting (RS) at the transmitter and Successive Interference Cancellation (SIC) at the receivers. In this work, we study the performance of RSMA in the scenarios related with the important core services of New Radio (NR) and 6G, namely, enhanced Ultra-Reliable and Low-Latency (URLLC) and enhanced Mobile Broadband Communications (eMBB). We present the optimal system designs employing RSMA that target short-packet and low-latency communications as well as robust communications with high-throughput under the practical and important setup of imperfect Channel State Information at Transmitter (CSIT) originating from user mobility and feedback latency in the network. We demonstrate via numerical results that RSMA achieves significantly higher performance than Space Division Multiple Access (SDMA) and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA), and is capable of addressing the requirements for enhanced URLLC and eMBB in 6G efficiently.

研究の動機と目的

• ユーザー移動性およびネットワーク遅延によるチャネル状態情報（CSIT）の不完全さと古さの影響により、既存の多重アクセス方式（SDMA や NOMA）の性能劣化を是正すること。
• 実用的なCSITの不完全性を想定した多アンテナ下行リンクシステムにおいて、合計スループットとスルーレートを最大化する最適なパワー割り当て戦略をRSMAに設計すること。
• 実際の3GPPチャネルモデルを用いて、短パケット・低遅延URRLCおよび高スループットeMBBシナリオにおけるRSMAのロバストネスとスペクトル効率を評価すること。
• 特に高SNRおよびユーザー速度増加下で、RSMAがSDMA や NOMA よりも合計スループットおよびスルーレートにおいて優れた性能を示すことを実証すること。

提案手法

• 1層のレートスプリット多重アクセス（RSMA）を用い、$ n_t $ 個の送信アンテナおよび $ K $ 個の単一アンテナユーザーを持つMISOブロードキャストチャネルで、各ユーザーのメッセージを共通部とプライベート部に分割する。
• 利用可能な（不完全な）CSITを用いて共通ストリームおよびプライベートストリームにプリコーディングを適用し、受信機では逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて共通ストリームを最初に復調する。
• 合計スループットの下界を最大化する閉形式のパワー割り当て係数 $ t_{\text{opt}} $ を導出することで、CSITの不確実性下でも効率的かつロバストな伝送を可能にする。
• 30 kHzのサブキャリア間隔と256個のサブキャリアを有するサイクリックプレフィックス直交周波数分割多重（CP-OFDM）波形を用い、現実的な3.5 GHz帯周波数帯域をシミュレートする。
• 3GPP都市マクロセルチャネルを23のクラスタと1クラスタあたり20本のレイを含むようにモデル化するため、Quadrigaチャネルジェネレータを適用し、300 nsの遅延スプレッドと10 msのCSI取得遅延を想定する。
• プライベートストリームのプリコーディングにブロック対角化（BD）を用い、受信機が多アンテナ（$ n_r = 4 $）である場合のモデルを拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザー移動性および古くなったCSI下で、RSMAはSDMA や NOMA と比較して合計スループットおよびスルーレートにおいてどのように性能を発揮するか？
• RQ2 提案された閉形式パワー割り当て係数 $ t_{\text{opt}} $ は、実用的なCSIT状態下で、総当り探索を伴わずに近似的最適な性能を達成できるか？
• RQ3 多アンテナ受信機がRSMA性能に与える影響は何か？ また、提案されたパワー割り当て戦略はこのような構成でも有効であるか？
• RQ4 RSMAは、SDMAと比較して、ユーザー速度の増加に伴い高SNRでも性能の飽和を回避し、どのようにロバストネスを維持するか？
• RQ5 RSMAは、現実の伝搬環境下で、6G URLLCおよびeMBBサービスが求める厳密な信頼性および遅延要件をどの程度満たすか？

主な発見

• 導出された閉形式パワー割り当て係数 $ t_{\text{opt}} $ を用いることで、RSMAは全ユーザー速度およびSNRレベルで、総当り探索の最適解に比べ1%未満の性能ギャップで近似し、合計スループットおよびスルーレート性能を高い精度で達成する。
• ユーザー速度が増加（最大100 km/h）する状況下でも、RSMAは性能の飽和を示さず、一方でSDMAの合計スループットおよびスルーレートは著しく劣化し、高SNRでやがて飽和する。
• 平均受信SNRが25 dBおよび35 dBの条件下で、RSMAは全ユーザー速度においても安定した性能を維持し、CSITの古さおよび移動性に起因するチャネル誤りに対して強い耐性を示す。
• 多アンテナ受信機（$ n_r = 4 $）を用いる場合でも、RSMAはSDMAを上回る性能を発揮するが、多アンテナ環境下では最適でないため、提案されたパワー割り当ては非単調な挙動を示すことがある。
• 単アンテナおよび多アンテナ受信機両方のシナリオにおいて、RSMAはSDMAに比べ顕著なスループット向上を示す。特に高移動性および高SNR下で顕著で、6Gユースケースにおける優位性を裏付けている。
• 数値的結果から、RSMAは6G URLLCおよびeMBBの実現に向けた有望な候補であることが確認され、不完全なCSITおよび短パケット伝送制約下でも干渉を効果的に制御し、信頼性を維持できる。