[論文レビュー] Rate-Splitting Multiple Access for Overloaded Cellular Internet of Things

Yijie Mao, Enrico Piovano+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、送信機における状態情報が不完全な状況（部分的CSIT）の高機能ユーザーと、統計的CSITを持つIoTデバイスを同じ時隙に統合的にサービス提供するための、パワー分割型レートスプリット多重アクセス（PP–RSMA）を提案する。パワー分割プリコーディングを用いることで、高機能ユーザー（部分的CSIT）とIoTデバイス（統計的CSIT）を同時に処理し、高SNRにおいて最適な自由度（DoF）を達成するとともに、時間分割型RSMAおよびベースライン方式よりも明確な和スルーレートの向上を実現する。さらに、CSITの不正確さに対してもロバストであり、QoS制約に対しても柔軟性を有する。

ABSTRACT

In the near future, it is envisioned that cellular networks will have to cope with extensive Internet of Things (IoT) devices. Therefore, a required feature of cellular IoT will be the capability to serve simultaneously a large number of devices with heterogeneous demands and qualities of Channel State Information at the Transmitter (CSIT). In this paper, we focus on an overloaded Multiple-Input Single-Output (MISO) Broadcast Channel (BC) with two groups of CSIT qualities, namely one group of users (representative of high-end devices) for which the transmitter has partial knowledge of the CSI, the other group of users (representative of IoT devices) for which the transmitter only has knowledge of the statistical CSI. We introduce Rate-Splitting Multiple Access (RSMA), a new multiple access based on multi-antenna Rate-Splitting (RS) for cellular IoT. Two strategies are proposed, namely, Time Partitioning-RSMA (TP-RSMA) and Power Partitioning-RSMA (PP-RSMA). The former independently serves the two groups of users over orthogonal time slots while the latter jointly serves the two groups of users within the same time slot in a non-orthogonal manner. We first show at high Signal-to-Noise Ratio (SNR) that PP-RSMA achieves the optimum Degrees-of-Freedom (DoF) in an overloaded MISO BC with heterogeneous CSIT qualities and then show at finite SNR that, by marrying the benefits of PP and RSMA, PP-RSMA achieves explicit sum rate gain over TP-RSMA and all baseline schemes. Furthermore, PP-RSMA is robust to CSIT inaccuracy and flexible to cope with Quality of Service (QoS) rate constraints of all users. The DoF and rate analysis helps us draw the conclusion that PP-RSMA is a powerful framework for cellular IoT with a large number of devices.

研究の動機と目的

• 過負荷なセルラーネットワークにおける多数のIoTデバイスを、CSITの品質が不均一な状況で効率的にサービス提供する課題に対処すること。
• 過負荷かつCSITが不完全な状況下で、従来のSDMAおよびNOMAの限界を克服すること。
• 部分的または統計的CSITの下でも、高いスペクトル効率とロバスト性を維持する多重アクセス方式の設計。
• 同じ時間周波数リソース内で高機能および低機能IoTユーザーを統合的に送信し、QoSの柔軟性を実現すること。
• 実用的なCSIT制約下で、最適なDoFおよび和スルーレート性能を達成すること。

提案手法

• 2つの戦略を提案：時間分割型RSMA（直交的時間スロット）とパワー分割型RSMA（非直交的統合送信）。
• 共通ストリームとプライベートストリームを用いたレートスプリットを採用し、部分的CSITを持つユーザー向けに干渉を整列させるためのプリコーディングを実施。
• ユーザー間でパワーを分割：高SNRユーザー向けにプライベートストリーム、統計的CSITユーザー向けに共通ストリームを適用。
• 高SNRにおける自由度（DoF）解析を用いて、部分的および統計的CSITを有する過負荷MISOBCにおいてPP–RSMAが最適性を示すことを証明。
• 和スルーレートの式を導出し、有限SNR下でPP–RSMAをTP–RSMAおよびベースライン方式（例：SDMA、NOMA）と比較。
• 帰納法およびフェース解析を用いてDoF領域の達成可能性を証明し、[29]からの逆問題による検証を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RSMAは、2つのグループのユーザーが異なるCSIT品質を持つ過負荷MISOBCにおいて、最適な自由度（DoF）を達成できるか？
• RQ2 PP–RSMAは、TP–RSMAおよび従来の多重アクセス方式（SDMA、NOMA）と比較して、和スルーレートおよびロバスト性においてどのように異なるか？
• RQ3 PP–RSMAは、CSITが不完全または統計的である状況下でも、どれほど高い性能を維持できるか？
• RQ4 PP–RSMAは、異種ユーザーに対して多様なサービス品質（QoS）のレート制約を満たすことができるか？
• RQ5 部分的および統計的CSITを有する過負荷MISOBCにおける達成可能な自由度（DoF）領域は何か？

主な発見

• PP–RSMAは、高SNRにおいて、CSITの品質が不均一な過負荷MISOBCで最適な自由度（DoF）を達成する。
• 有限SNR下でも、PP–RSMAはTP–RSMAおよびすべてのベースライン方式（SDMA、NOMAを含む）に対して明確な和スルーレートの向上を実現する。
• PP–RSMAのDoF領域は、[29]から導出された外挿境界と一致しており、最適性が裏付けられる。
• 共通ストリームとパワー分割による干渉管理のおかげで、PP–RSMAはCSITの不正確さに対してもロバストである。
• 本方式は柔軟性を有し、統計的CSITを持つユーザーを含むすべてのユーザーの個別QoSレート制約を満たすことができる。
• 提案手法は、多面体領域のフェースを用いたパワー分割と時分割を組み合わせることで、DoF領域を達成し、帰納法および逆問題による検証がなされている。