[論文レビュー] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-Antenna Broadcast Channel with Imperfect CSIT and CSIR

Jihye An, Onur Dizdar+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、送信側（CSIT）および受信側（CSIR）における不完全なチャネル状態情報（CSI）下での多ユーザーMISOブロードキャストチャネルにおけるロバストなレートスプリット多重アクセス（RSMA）方式を提案する。半定値緩和（SDR）と凹凸凸法（CCCP）を用いたプリコーディングベクトルおよびパワー分配の共同最適化により、チャネル推定誤差が存在する状況下でもスルーレットを最大化する手法であり、全SNRおよび誤差分散レベルにおいてZFおよびMRTに基づくRSMAより優れた性能を示す。

ABSTRACT

Rate-splitting multiple access (RSMA) has appeared as a powerful transmission and multiple access strategy for multi-user multi-antenna communications. Uniquely, this paper studies the optimization of the sum-rate of RSMA with imperfect channel state information (CSI) at the transmitter (CSIT) and the receivers (CSIR). The robustness of the RSMA approach against imperfect CSIT has been investigated in the previous studies while there has been no consideration for the effects of imperfect CSIR. This motivates us to develop a robust design relying on RSMA in the presence of both imperfect CSIT and CSIR. Since the optimization problem for the design of RSMA precoder and power allocations to maximize the sum-rate is non-convex, it is hard to solve directly. To tackle the non-convexity, we propose a novel alternating optimization algorithm based on semidefinite relaxation (SDR) and concave-convex procedure (CCCP) techniques. By comparing simulation results with conventional methods, it turns out that RSMA is quite robust to imperfect CSIR and CSIT, thereby improving the sum-rate performance.

研究の動機と目的

• 実用的システムで一般的に見られる不完全なCSITおよびCSIR下でのロバストなRSMA設計の欠如に応えること。
• チャネル不確実性を伴う多ユーザーMISOブロードキャストチャネルにおけるRSMAの非凸的スルーレット最大化問題を定式化すること。
• 不完全なCSI下でもスルーレットを向上させるために、プリコーディングベクトルとパワー分配を共同で最適化するフレームワークを構築すること。
• 変動するチャネル誤差およびSNR条件下での、提案手法RSMAと従来のZFおよびMRT方式との性能向上を評価すること。

提案手法

• 不完全なCSITおよびCSIRを伴うMU-MISO BCにおけるRSMAのスルーレット最大化問題を定式化し、チャネル誤差を有界な不確実性としてモデル化する。
• 非凸最適化問題を凸化するために半定値緩和（SDR）を適用し、緩和手法を用いて取り扱い可能な解を得る。
• 反復的に解を改善し、局所最適解に収束させるために凹凸凸法（CCCP）を用いる。
• 共通ストリームのプリコーダとプライベートストリームのプリコーダを同時に最適化し、柔軟なレートスプリットによる干渉管理を実現する。
• チャネル不確実性をモデル化し、ロバスト性を確保するため、誤差集合を用いた標本平均近似（SAA）を用いる。
• プライベートストリームに固定プリコーディング（ZFおよびMRT）を適用し、パワーと共通ストリームのみを最適化する手法と、提案アルゴリズムを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なCSITおよびCSIRが重複する状況下でRSMAの性能はどの程度劣化し、それをどのようにロバスト化できるか？
• RQ2 チャネル推定誤差の分散が、特に高SNR領域におけるRSMAのスルーレットに及ぼす影響は何か？
• RQ3 プリコーディングベクトルとパワー分配を共同最適化することで、ZFやMRTのような固定プリコーディング方式を上回ることができるか？
• RQ4 SDRおよびCCCPに基づく提案アルゴリズムは、不確実性下でなぜ従来手法よりも高いスルーレットを達成できるのか？

主な発見

• 提案されたRSMAは、プリコーディングとパワー分配を共同最適化することで、全SNRおよび誤差分散レベルにおいて、固定ZFまたはMRTプリコーディングを用いたRSMAよりも厳密に高いスルーレットを達成する。
• 高SNR領域では、チャネル誤差分散が小さい場合でも、残留干渉のより良い取り扱いのおかげで、ZFベースのRSMAを上回る性能を示す。
• チャネル誤差分散が大きい場合には、提案されたRSMAは低SNRシステムに類似した挙動を示すが、依然としてMRTベースのRSMAを上回る性能を発揮する。
• 不完全なCSIR下では、チャネル誤差に起因する干渉の増加によりスルーレットが飽和するが、提案されたRSMAはこの影響を効果的に緩和する。
• SDRおよびCCCPに基づく提案アルゴリズムは、非凸最適化において安定した収束を示し、ロバストな解に到達でき、性能向上を実現する。
• シミュレーション結果から、RSMAがCSITおよびCSIRの不完全性に対して本質的にロバストであることが確認され、実用的多ユーザーMIMOシステムの有力候補であることが示された。