[논문 리뷰] Bounds on Power and Common Message Fractions for RSMA with Imperfect SIC

Garima Chopra, Akhileswar Chowdary외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 순차적 인터패런스 제거(SIC) 조건 하에서, 공통 메시지 및 비공통 메시지의 전력 할당에 대한 분석적 경계를 유도하며, 이 경계를 통해 강한 사용자와 약한 사용자가 오р토곤럴 다중접근(OMA)보다 높은 데이터율을 확보할 수 있음을 보장한다. 이 경계는 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 이러한 경계 내에서 적절한 파arameter 설정을 통해 SIC의 불완전성에도 불구하고 개별 사용자 데이터율 향상이 보장됨을 보여준다.

ABSTRACT

Rate-Splitting multiple access (RSMA) has emerged as a key enabler in improving the performance of the beyond fifth-generation (5G) cellular networks. The existing literature has typically considered the sum rate of the users to evaluate the performance of RSMA. However, it has been shown in the existing works that maximizing the sum rate can result in asymmetric user performance. It significantly enhances one user's rate at the cost of the rate of another RSMA user. Further, imperfections can reduce the performance of successive interference cancellation (SIC)-based RSMA. Therefore, in this letter, we consider the imperfection in SIC and derive suitable bounds on fractions of the power allocated for common and private messages and the fraction of common message intended for each user in an RSMA pair such that their individual RSMA rates are greater than their respective orthogonal multiple access (OMA) rates. Through simulations, we validate the derived bounds. We show that they can be used to appropriately select the RSMA parameters resulting in users' RSMA rates being better than their respective OMA rates.

연구 동기 및 목표

• RSMA에서의 불공정한 데이터율 분배 문제를 해결하기 위해, 합계 데이터율 최적화가 약한 사용자 성능을 악화시킬 수 있음을 고려한다.
• SIC의 불완전성이 RSMA 성능, 특히 개별 사용자 데이터율에 미치는 영향을 분석한다.
• 강한 사용자와 약한 사용자가 모두 OMA 데이터율을 초월하는 조건에서, 공통/비공통 메시지 전력 비율 및 공통 메시지 할당 비율에 대한 분석적 경계를 도출한다.
• 실제 SIC 불완전성 모델 하에서 이러한 경계를 시뮬레이션을 통해 검증한다.

제안 방법

• 강한 사용자와 약한 사용자의 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 표현식과 데이터율 제약 조건을 사용하여, 공통 메시지 전력 비율(αc)에 대한 하한 및 상한 경계를 유도한다.
• 개별 RSMA 데이터율이 OMA 데이터율을 초월하도록 보장하기 위해, 공통 메시지와 비공통 메시지 간 전력 분할 비율(λ)에 대한 경계를 제안한다.
• 사용자별 공통 메시지 비율(τ)을 도입하고, 채널 이득과 SIC 오차 인자 β에 따라 하한(τ_lower) 및 상한(τ_upper) 경계를 유도한다.
• 불완전한 SIC 조건을 고려한 이중 사용자 다운링크 RSMA 모델을 사용하여 간섭과 노이즈를 모델링하고 데이터율 표현식을 유도한다.
• 수치 최적화를 적용하여 분석적 경계를 검증하고, 시뮬레이션된 데이터율과 비교한다.
• SIC 오차 수준(β), 전력 분할 비율(λ), 공통 메시지 비율(αc)을 변화시켜 시뮬레이션 기반 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RSMA 쌍의 두 사용자가 모두 OMA보다 높은 데이터율을 확보할 수 있도록 보장하기 위한 공통 메시지 전력 비율(αc)의 경계는 무엇인가?
• RQ2 SIC의 불완전성이 존재할 경우, 공통 메시지와 비공통 메시지 간 전력 분할 비율(λ)은 개별 사용자 데이터율 향상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 불완전한 SIC 조건 하에서 개별 RSMA 데이터율이 OMA 데이터율을 초월하도록 보장하기 위한 사용자별 공통 메시지 비율(τ)의 범위는 무엇인가?
• RQ4 SIC 오차 인자(β)는 RSMA에서 OMA를 초월하는 데이터율 향상의 가능성을 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• γs=6 dB, γw=2 dB 조건에서 αc에 대한 유도된 하한(0.683) 및 상한(0.776) 경계가, 수치적으로 관측된 두 사용자가 RSMA 데이터율을 OMA를 초월하는 영역과 매우 유사함을 확인하였다.
• 분석적으로 유도된 λ의 하한(0.865)은 데이터율 표현식을 통한 경계보다 더 보수적이지 않으며, 더 탴한 분석 경계임을 검증하였다.
• β > 0.035일 경우 강한 사용자의 RSMA 데이터율이 OMA 데이터율 이하로 떨어지며, 이는 SIC 불완전성이 성능을 악화시키는 임계점임을 시사한다.
• τ_lower 및 τ_upper에 대한 경계가 시뮬레이션 결과와 매우 유사하게 일치함을 확인하였으며, 이는 타당한 매개변수 영역을 정확히 예측함을 확인한다.
• β > 0.05일 경우에도 합계 데이터율(SR)은 OMA 합계 데이터율을 초월하지만, β ≈ 0.035를 초과하면 개별 사용자 공정성이 크게 악화됨을 확인하였다.
• 시뮬레이션 결과, 유도된 경계 내에서 αc와 λ를 선택할 경우, 불완전한 SIC 조건 하에서도 두 사용자가 모두 OMA를 초월하는 성능을 확보함을 확인하였다.