[論文レビュー] Rate Splitting with Finite Constellations: The Benefits of Interference Exploitation vs Suppression

Abdelhamid Salem, Christos Masouros+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、位相シフトキーイング（PSK）信号方式を用いた多ユーザーMIMOシステムにおけるレートスプリット（RS）のための構成的干渉（CI）プレフィンギング技術を提案し、干渉を建設的に活用することで、ゼロフォーシング（ZF）プレフィンギングおよび従来の線形プレフィンギング（NoRS）を上回ることを示した。主な貢献は、有限コンステレーションに特化した新しいパワー割り当て戦略であり、高SNR領域においてZFおよびNoRSに対して最大10 dBのSNRゲインを達成した。

ABSTRACT

Rate-Splitting (RS) has been proposed recently to enhance the performance of multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems. In RS, a user message is split into a common and a private part, where the common part is decoded by all users, while the private part is decoded only by the intended user. In this paper, we study RS under a phase-shift keying (PSK) input alphabet for multi-user multi-antenna system and propose a constructive interference (CI) exploitation approach to further enhance the sum-rate achieved by RS under PSK signaling. To that end, new analytical expressions for the ergodic sum-rate are derived for two precoding techniques of the private messages, namely, 1) a traditional interference suppression zero-forcing (ZF) precoding approach, 2) a closed-form CI precoding approach. Our analysis is presented for perfect channel state information at the transmitter (CSIT), and is extended to imperfect CSIT knowledge. A novel power allocation strategy, specifically suited for the finite alphabet setup, is derived and shown to lead to superior performance for RS over conventional linear precoding not relying on RS (NoRS). The results in this work validate the significant sum-rate gain of RS with CI over the conventional RS with ZF and NoRS.

研究の動機と目的

• 実際の有限コンステレーション信号方式下での多ユーザー干渉に起因する従来の多ユーザーMIMOシステムの性能制限を解消すること。
• 多アンテナ下行リンクシステムにおけるPSK入力のレートスプリット（RS）の合計レート性能を向上させるために、構成的干渉（CI）プレフィンギングが有効であるかどうかを調査すること。
• 有限コンステレーションシステムに特化して最適化されたパワー割り当て戦略を構築し、従来の線形プレフィンギング（NoRS）に対するRSの合計レートゲインを最大化すること。
• 送信機における完全および不完全なチャネル状態情報（CSIT）下で、CIプレフィンギングを用いたRSのエルゴディック合計レート性能を、ZFプレフィンギングを用いたRSおよびNoRSと比較すること。

提案手法

• 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する新しいレートスプリット（RS）フレームワークを提案し、共通メッセージは逐次干渉キャンセレーション（SIC）により全ユーザーが復調可能である。
• 送信パワーを増加させることなく、有効な信号対干渉加法ノイズ比（SINR）を向上させるために干渉を整合化する閉形式の構成的干渉（CI）プレフィンギング技術を導入した。
• PSK信号方式および有限コンステレーションを考慮した下で、プライベートメッセージに対するCIおよびゼロフォーシング（ZF）プレフィンギングの下でのエルゴディック合計レートの新しい解析的表現を導出した。
• 有限アルファベット制約に適合した、共通ストリームとプライベートストリームのパワー割り当てを最適化する戦略を開発し、合計レートゲインを最大化することを示した。
• 不完全なCSITの状況への拡張を実施し、チャネル推定誤差が生じる現実的な状況下でも、性能のロバストネスを検証した。
• QPSKおよび8PSKコンステレーションを用いた数値シミュレーションにより、CIプレフィンギングを用いたRS、ZFプレフィンギングを用いたRS、およびNoRSの性能を、さまざまなSNR、ユーザー分布、基地局アンテナ数の下で比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構成的干渉（CI）プレフィンギングは、PSK信号方式を用いた多ユーザーMIMOシステムにおけるレートスプリット（RS）の合計レート性能を向上させ得るか？
• RQ2 完全および不完全なCSIT下で、CIプレフィンギングを用いたRSの合計レート性能は、ZFプレフィンギングを用いたRSおよび従来の線形プレフィンギング（NoRS）と比較してどうなるか？
• RQ3 有限コンステレーションを有するRSシステムにおいて、共通ストリームとプライベートストリーム間の最適パワー割り当て戦略は何か？ これは合計レートを最大化するために最適である。
• RQ4 基地局アンテナ数およびユーザー数が増加する場合、CIプレフィンギングを用いたRSの性能はどのようにスケーリングするか？ また、ユーザーの位置やパスロスに依存するか？
• RQ5 CIプレフィンギングを用いたRSとNoRSの間で、合計レートの飽和点に差異があるか？ また、変調方式（例：QPSK 対 8PSK）の違いがシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• QPSK信号方式において、高SNR領域ではCIプレフィンギングを用いたRSが、ZFプレフィンギングおよび従来の線形プレフィンギング（NoRS）に対して最大10 dBのSNRゲインを達成した。
• 全SNR範囲において、CIプレフィンギングを用いたRSの合計レートは、ZFプレフィンギングを用いたRSおよびNoRSを上回っており、ユーザーのチャネル状態がバランスの取れた低SNR領域で最大のゲインが観察された。
• QPSK信号方式では合計レートが6ビット/秒/Hzで飽和するが、この限界はNoRSによる8PSKでも達成されるが、CIプレフィンギングを用いたRSは飽和に至るまでのレートが著しく高い。
• 低SNRでは共通メッセージの最適パワー割合 $ t $ は1に近づくため、RSはNoRSに退化する。一方、高SNRでは $ t < 1 $ が最適であり、共通メッセージ伝送の利点が顕著に現れる。
• 基地局アンテナ数 $ N $ がユーザー数 $ K $ よりも著しく大きい場合、ZFプレフィンギングの性能はCIプレフィンギングに近づき、ZFがCIの特殊ケースであることを裏付けた。
• 不完全なCSIT下でも性能は劣化するが、CIプレフィンギングを用いたRSは、すべてのシナリオ（ランダムなユーザー分布、パスロスの増加を含む）においてZFおよびNoRSを上回る優位性を維持した。