[논문 리뷰] Multi-User Rate Splitting in Optical Wireless Networks

Ahmad Adnan Qidan, Khulood D. Alazwary외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 23.

Optical Network Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 광무선 통신 네트워크를 위한 제한된 CSI-RS 기법을 제안하며, 사용자 군집화, 블라인드 간섭정렬 기반 외부 프리코딩, 최적화된 전력 할당을 통합하여 상하좌우 간섭을 관리한다. 이 기법은 RS 및 BIA 기준선 대비 더 높은 스펙트럼 효율성, 낮은 BER, 향상된 에너지 효율성을 달성하며, 사용자 수가 증가할수록 그 효과가 두드러진다.

ABSTRACT

Optical wireless communication (OWC) has recently received massive interest as a new technology that can support the enormous data traffic increasing on daily basis. Laser-based OWC networks can provide terabits per second (Tbps) aggregate data rates. However, the emerging OWC networks require clusters of optical transmitters to provide uniform coverage for multiple users. In this context, multi-user interference (MUI) is a crucial issue that must be managed efficiently to provide high spectral efficiency. Rate splitting (RS) is proposed as a transmission scheme to serve multiple users simultaneously by splitting the message of a given user into common and private messages, and then, each user decodes the desired message following a certain procedure. In radio frequency (RF) networks, RS provides higher spectral efficiency compared with orthogonal and non-orthogonal transmission schemes. Considering the high density of OWC networks, the performance of RS is limited by the cost of providing channel state information (CSI) at transmitters and by the noise resulting from interference cancellation. In this work, a user-grouping algorithm is proposed and used to form multiple groups, each group contains users spatially clustered. Then, an outer precoder is designed to manage inter-group interference following the methodology of blind interference alignment (BIA), which reduces the requirements of CSI at RF or optical transmitters. For intra-group interference, RS is applied within each group where the users belonging to a given group receive a unique common message on which their private messages are superimposed. Furthermore, an optimization problem is formulated to allocate the power among the private messages intended to all users such that the sum rate of the network is maximized.

연구 동기 및 목표

• 전송기에서 이용 가능한 채널 상태 정보(CSI)가 제한된 조건에서 고밀도 광무선 통신 네트워크(OWC)의 다중 사용자 간섭(MUI) 문제를 해결하기 위해.
• 비율 분할(RS)을 활용해 동시에 다중 사용자 전송을 가능하게 하여 OWC에서 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시키기 위해.
• 사용자 군집화와 블라인드 간섭정렬(BIA)을 융합한 하이브리드 기법을 통해 CSI 피드백 오버헤드와 간섭 제거 노이즈를 줄이기 위해.
• 사용자 그룹 내 개인 메시지 간 최적의 전력 할당을 통해 네트워크 합산 속도를 최대화하기 위해.
• 사용자 채널 품질과 그룹 구조에 기반해 동적으로 전력 할당하여 에너지 효율성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 공간 클러스터링을 기반으로 사용자를 군집화하여 내부 군집 간섭을 최소화하고 간섭 관리를 단순화한다.
• 채널 간섭 시간과 사용자 분포에만 의존하여 최소한의 CSI로도 간섭정렬(BIA) 기반 외부 프리코더를 설계한다.
• 각 군집 내에서 비율 분할을 적용: 사용자는 공통 메시지를 먼저 디코드한 후 개인 메시지를 디코드하여 간섭정렬과 순차적 간섭 제거를 가능하게 한다.
• 합산 속도를 최대화하기 위한 전력 할당 최적화 문제를 수립하며, 계산 복잡도를 줄이기 위해 다중 승수자 방법을 활용해 부분 최적 해를 도출한다.
• 신호 전송을 위해 다단계 N-PAM 변조를 사용하여 선형성을 확보하고 다양한 SNR 조건에서 BER 평가가 가능하도록 한다.
• 제안된 제한된 CSI-RS 기법은 사용자 군집화, BIA 기반 프리코딩, 동적 전력 할당을 통합하여 성능와 복잡도의 균형을 이루도록 설계된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 전송기 측 CSI 조건에서 고밀도 OWC 네트워크의 다중 사용자 간섭을 효과적으로 관리할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 사용자 군집화가 OWC 시스템에서 비율 분할 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 블라인드 간섭정렬(BIA)을 비율 분할과 효과적으로 융합하여 CSI 요구 사항을 줄이면서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 사용자 그룹 내 개인 메시지 간 최적의 전력 할당이 다중 사용자 OWC 네트워크의 합산 속도와 에너지 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 기존 RS 및 BIA 대비 제안된 제한된 CSI-RS 기법이 합산 속도, BER, 에너지 효율성 측면에서 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• 제한된 CSI-RS 기법은 사용자 수가 증가함에 따라 합산 속도가 증가하며(최대 40명), 모든 시나리오에서 RS 및 BIA를 초월한다.
• 14 dB SNR에서 제한된 CSI-RS 기법의 BER은 10^-3 이하이지만, RS 및 BIA 기법은 각각 10^-3 초과 및 10^-2 초과를 기록한다.
• 제안된 기법은 간섭 제거에서 발생하는 노이즈를 줄여 기존 RS 및 BIA 대비 더 낮은 BER과 높은 신뢰성을 확보한다.
• 사용자 수가 20명에서 40명으로 증가함에 따라 제한된 CSI-RS 기법의 에너지 효율성은 기존 RS보다 높은 수준을 유지한다. 이는 효율적인 전력 할당과 군집 간섭 억제 덕분이다.
• 동적 전력 할당 알고리즘이 고밀도 사용자 환경에서 고정 전력 할당 대비 합산 속도와 에너지 효율성을 향상시킨다.
• 사용자 군집화와 BIA 기반 외부 프리코딩의 통합은 높은 스펙트럼 효율성을 유지하면서도 CSI 피드백 요구량을 크게 감소시킨다.