[논문 리뷰] An Analysis on Rate-Splitting Multiple Access for IRS Aided 6G Communication

Aditya Jolly, Sudip Biswas외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 17인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크에서 스마트 반사 표면(IRS)과 다중접속을 위한 비율 분할 다중접속(RSMA)을 통합한 IRS-RS 아키텍처를 제안하여 전력, QoS, 유한한 해상도 제약 조건 하에서 가중합률속도(WSR)를 최대화한다. WMMSE 기반의 교대 최적화 알고리즘을 통해 IRS의 위상 이득과 기지국(BS)의 비트포화를 함께 최적화함으로써, 특히 부정확한 채널 상태 정보(CSI) 조건에서도 기준선인 IRS-NOMA보다 스펙트럼 효율성과 세포 가장자리 사용자에 대한 공정성을 높인다.

ABSTRACT

Integrating intelligent reflecting surface (IRS) and Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) is an effective solution to improve the spectral/energy efficiency in next-generation (beyond 5G (B5G) and 6G) wireless networks. In this paper, we investigate a rate-splitting (RS)-based transmission technique for an IRS-aided communication network involving both near and cell-edge users. In particular, we derive a new architecture called IRS-RS that leverages the interplay between RS and IRS, with an aim to maximize the weighted sum-rate (WSR) of users by selecting the reflecting coefficients at the IRS and designing beamformers at the BS under the constraints of power at the base station (BS), quality of service (QoS) at each user and finite resolution at the IRS. To solve the non-convex WSR maximization problem, we propose an alternating algorithm and compare its performance with baseline non-orthogonal multiple access (NOMA) based transmission for an IRS-aided communication network for both perfect and imperfect CSIT cases. Through numerical results, it is shown that the proposed IRS-RS architecture yields better QoS with respect to the cell-edge users when compared to IRS-NOMA transmission scheme.

연구 동기 및 목표

• IRS 보조 6G 네트워크에서 낮은 스펙트럼 효율성과 세포 가장자리 사용자 성능 문제를 해결하기 위해.
• 더 나은 시스템 성능을 위해 다중접속을 위한 비율 분할 다중접속(RSMA)을 스마트 반사 표면(IRS)과 통합하여 연구하기 위해.
• 기지국(BS) 전력, QoS, 유한한 해상도의 IRS 반사 등 실용적 제약 조건 하에서 근접 및 세포 가장자리 사용자의 가중합률속도(WSR)를 최대화하기 위해.
• 완전한 및 불완전한 채널 상태 정보(CSIT) 조건에서, 제안된 IRS-RS 방식과 기준선인 IRS-NOMA의 합률속도와 공정성 측면에서의 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 기지국(BS)이 공통 및 개인 스트림을 통해 다수의 사용자를 서비스하기 위해 비율 분할 조정 기반 예비처리를 사용하는 새로운 IRS-RS 프레임워크를 제안한다.
• IRS를 유한한 해상도의 위상 이득을 가진 수동 배열로 모델링하여 채널 상태 정보(CSI) 적응이 가능하도록 한다.
• 기지국 전송 전력, 사용자 QoS, IRS 해상도 제약 조건이 포함된 비볼록 WSR 최대화 문제를 수립한다.
• 비볼록 문제를 반복적으로 해결하기 위해 가중최소제곱오차(WMMSE) 기반의 교대 최적화 알고리즘을 개발한다.
• 수렴할 때까지 비트포화, 반사 계수, 복원 가중치를 교대로 고정하고 갱신한다.
• 각 하위 문제에서 MMSE 등화기와 MMSE 가중치를 최적 해로 사용하여 국소 최적 해로 수렴함을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 NOMA와 비교해 RSMA가 IRS 보조 6G 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 공정성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 실용적 제약 조건 하에서 비트포화와 IRS 반사 계수의 공동 최적화가 가중합률속도(WSR)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 완전한 및 불완전한 CSIT 조건에서 IRS-RS는 합률속도와 세포 가장자리 사용자 비율 측면에서 IRS-NOMA에 비해 어떤 성능 향상을 달성하는가?
• RQ4 채널 추정 오차에 대해 IRS-RS 방식은 얼마나 강건한가, 특히 불완전한 CSIT 상황에서의 성능에 대해 어떻게 되는가?
• RQ5 IRS 요소의 유한한 해상도 특성이 이상화된 모델 대비 IRS-RS의 성능 향상에 상당한 제약을 가하는가?

주요 결과

• 완전한 CSIT 조건에서 IRS-RS는 IRS-NOMA보다 더 넓은 비율 영역을 달성하며, 근접 및 세포 가장자리 사용자 모두의 개별 비율이 높다.
• 모든 SNR 수준에서 IRS-RS의 가중합률속도(WSR)는 IRS-NOMA를 초월하며, 고 SNR 영역에서 성능 격차가 점점 커진다.
• 불완전한 CSIT 조건에서도 IRS-RS는 IRS-NOMA보다 뛰어난 성능 유지를 보이며, 채널 추정 오차에 강건함을 입증한다.
• 제안된 교대 WMMSE 기반 알고리즘은 수렴을 위해 최대 50회 반복 내에서 10⁻⁴의 정밀도로 수렴하여 실용적 타당성을 확보한다.
• IRS-RS는 세포 가장자리 사용자의 서비스 품질(QoS)을 크게 향상시켜 네트워크 공정성과 사용자 경험 품질(QoE)을 향상시킨다.
• RSMA와 IRS의 통합은 특히 세포 가장자리 사용자에게 강한 경로 손실이 발생하는 다중 사용자 환경에서 간섭 관리 및 스펙트럼 효율성을 더 잘 향상시킨다.