[論文レビュー] Robust Beamforming Design for Rate Splitting Multiple Access-Aided MISO Visible Light Communications

Shuai Ma, Zhang, Guanjie+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 52被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、光通信および電気的パワー制約下でのレートスプリット多重アクセス（RSMA）を支援する複数入力単一出力（MISO）可視光通信（VLC）ネットワークにおけるロバストビームフォーミング設計を提案し、ユーザーの実現可能レートの閉形式下限を導出し、合計レートを最適化する。シミュレーション結果は、さまざまなパワー予算およびユーザー構成において、RSMAがNOMAおよびSDMAを上回ることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we focus on the optimal beamformer design for rate splitting multiple access (RSMA)-aided multipleinput single-output (MISO) visible light communication (VLC) networks. First, we derive the closed-form lower bounds of the achievable rate of each user, which are the first theoretical bound of achievable rate for RSMA-aided VLC networks. Second, we investigate the optimal beamformer design for RSMA-aided VLC networks to maximize the sum rate under the optical and electrical power constraints. In addition, we show that the proposed RSMA-aided networks can achieve superior performance compared with space-division multiple access (SDMA) and nonorthogonal multiple access (NOMA).

研究の動機と目的

• 特許的な光パワー制約に起因するRSMAを支援するVLCネットワークにおける理論的実現可能レートバウンドの欠如に対処する。
• ピーク光パワー、平均光パワー、平均電気パワー制約下で合計レートを最大化する最適ビームフォーマーを設計する。
• VLC環境における従来の手法（NOMAおよびSDMA）と比較して、RSMAの優位性を実証する。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）を有する実用的RSMAを支援するVLCシステムにおけるロバストビームフォーミング設計の基盤を提供する。
• 現実的なハードウェア制約下で効率的なビームフォーマー計算を可能にする凸最適化フレームワークを構築する。

提案手法

• 信号対インターフェアレンスプラスノイズ比（SINR）式を用いて、RSMAを支援するVLCにおける共通ストリームおよびプライベートストリームの実現可能レートの閉形式下限を導出する。
• N個のLEDを備えたVLCベースステーション（BS）が、レートスプリットを介してK人のユーザーをサービスするシステムをモデル化し、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。
• 実用的制約を組み込む：ピーク光パワー、平均光パワー、平均電気パワー。ビームフォーマー設計は、パワー予算および電流制限を介してこれらの制約を満たす。
• 非凸な合計レート最大化問題を凸化するために、1次テイラー級数近似を用いる。これにより、逐次凸近似（SCA）を介した反復的解法が可能になる。
• 対数レート式の線形近似を用いて、非凸問題を凸部分問題の系列に変換する。
• 主要化最小化アプローチを用いて、得られた凸問題を反復的に解き、局所最適解への収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的光パワーおよび電気パワー制約下で、RSMAを支援するMISO VLCシステムの実現可能レートに対する理論的下限は何か？
• RQ2 VLCネットワークにおけるピークおよび平均光パワーおよび電気パワー制限を満たしつつ、合計レートを最大化するためのビームフォーマーはどのように最適化できるか？
• RQ3 同じパワーおよびハードウェア制約下で、MISO VLCシステムにおけるRSMAはNOMAおよびSDMAに比べてどの程度の性能向上を示すか？
• RQ4 不完全なチャネル状態情報（CSI）下でも、ビームフォーミング設計はどの程度のロバスト性を示し、収束を保証する凸近似技術は何か？
• RQ5 RSMAビームフォーミングにおける凸最適化フレームワークは、合計レート最大化とハードウェア制約の両立をどのように実現できるか？

主な発見

• 本稿は、RSMAを支援するVLCネットワークにおける実現可能レートの最初の閉形式下限を導出し、理論的解析および最適化を可能にする。
• 提案されたビームフォーミング設計は、全テストパワー予算においてNOMAおよびSDMAを上回る高い合計レートを達成し、特に高パワー領域でその利得が増大する。
• 4本のLEDおよび2人のユーザーを想定したシミュレーションでは、RSMAはNOMAおよびSDMAを一貫して上回り、高パワー予算下で最大25%の合計レート向上を達成する。
• SCAに基づくアルゴリズムは15〜20イタレーションで信頼性高く収束し、リアルタイムのビームフォーマー設計における実用的妥当性を示している。
• ロバストビームフォーミング設計は、ピーク光パワーおよび電流制限を効果的に処理し、目の安全および照明品質を確保する。
• RSMAの性能向上は、特にセルエッジユーザーのシナリオで顕著であり、レートスプリットによる干渉管理がスペクトル効率の大幅な向上をもたらす。