[論文レビュー] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-antenna Downlink Communication Systems: Spectral and Energy Efficiency Tradeoff

Gui Zhou, Yijie Mao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、レート依存の回路消費電力を持つ多アンテナ下行リンクシステムにおけるレートスプリット多重アクセス（RSMA）のための、スペクトル効率（SE）とエネルギー効率（EE）を統合最適化するフレームワークを提案する。重み付き和および重み付き電力手法を用いて多目的問題を単目的の部分問題に変換し、2ユーザー系には低複雑度アルゴリズム、Kユーザー系には逐次凸近似（SCA）に基づく手法を適用することで、SDMA や NOMA よりも高速な収束性と優れた SE-EE バランス性能を達成する。

ABSTRACT

Rate-splitting (RS) has recently been recognized as a promising physical-layer technique for multi-antenna broadcast channels (BC). Due to its ability to partially decode the interference and partially treat the remaining interference as noise, RS is an enabler for a powerful multiple access, namely rate-splitting multiple access (RSMA), that has been shown to achieve higher spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) than both space division multiple access (SDMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA) in a wide range of user deployments and network loads. As SE maximization and EE maximization are two conflicting objectives, the study of the tradeoff between the two criteria is of particular interest. In this work, we address the SE-EE tradeoff by studying the joint SE and EE maximization problem of RSMA in multiple input single output (MISO) BC with rate-dependent circuit power consumption at the transmitter. To tackle the challenges coming from multiple objective functions and rate-dependent circuit power consumption, we first propose two methods to transform the original problem into a single-objective problem, namely, weighted-sum method and weighted-power method. A successive convex approximation (SCA)-based algorithm is then proposed to jointly optimize the precoders and RS message split of the transformed problem. Numerical results show that our algorithm converges much faster than existing algorithms. In addition, the performance of RS is superior to or equal to non-RS strategy in terms of both SE and EE and their tradeoff.

研究の動機と目的

• 実際のレート依存の回路消費電力制約下で、多アンテナ下行リンクシステムにおけるスペクトル効率（SE）とエネルギー効率（EE）の根本的トレードオフを扱う。
• RSMA プリコーディング設計における、多目的最適化とレート依存の回路消費電力に起因する非凸性の課題を克服する。
• 事前に定義された SE 制約の妥当性チェックを必要としない、SE と EE を同時に最大化する効率的なアルゴリズムを開発する。
• SDMA や NOMA と比較して、RSMA が SE および EE の両性能およびそのトレードオフにおいて優れていることを実証する。

提案手法

• 重み付き和法および重み付き電力法を用いて、多目的 SE-EE 最適化問題を2つの単目的部分問題に変換する。
• 変換された単目的問題を解くことで、2ユーザー MISO BC 系に対して低複雑度の閉形式アルゴリズムを提案する。
• 非凸プリコーディング最適化を処理するため、逐次凸近似（SCA）に基づくアルゴリズムを用いて K ユーザー系に拡張する。
• 送信機の回路消費電力を実際のハードウェア制約を反映するためのレート依存関数としてモデル化する。
• カシュ・クーン・タッカー（KKT）条件および部分的一階近似を用いて、SCA フレームワークの最適性条件を導出する。
• 内挿近似技術を適用して反復的に解を改善し、元の問題の停留点に収束することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レート依存の回路消費電力を持つ多アンテナ下行リンクシステムにおいて、SE と EE の対立する目的をどのように統合最適化できるか？
• RQ2 実際のハードウェア制約下で、RSMA が SDMA や NOMA に対して SE および EE トレードオフの面でどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ3 2ユーザー RSMA 系において、SE と EE を統合最適化する低複雑度の閉形式解を導出可能か？
• RQ4 K ユーザー系における SCA に基づくアルゴリズムは、既存手法と比較して収束速度および性能でどのように差をつけるか？
• RQ5 レート依存の回路消費電力は、SE-EE トレードオフおよびその結果得られるプリコーディング設計にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案された SCA に基づくアルゴリズムは、既存の手法と比較して著しく高速に収束し、計算効率の向上を示した。
• さまざまなユーザー配置およびネットワーク負荷の範囲において、RSMA は SDMA や NOMA よりも高いスペクトル効率およびエネルギー効率を達成した。
• 重み付き和法および重み付き電力法による SE-EE 統合最適化により、固定された SE 制約に起因する妥当性の問題を効果的に回避できた。
• 2ユーザー系では、提案された低複雑度アルゴリズムが閉形式解を達成しており、リアルタイム実装が可能である。
• K ユーザー系における SCA に基づくアルゴリズムは、元の非凸問題の停留点に収束し、信頼性の高い性能を保証した。
• 数値結果により、RSMA が優れた SE-EE トレードオフを提供することが確認され、全 SNR 範囲において、常に SDMA や NOMA を上回るか、同等の性能を示した。