[논문 리뷰] Optimization of Rate Allocation and Power Control for Rate Splitting Multiple Access (RSMA)

Zhaohui Yang, Mingzhe Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 19.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 25인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 단일 입력 단일 출력(SISO) 무선 네트워크에서 다운링크 통합 다중접속(RSMA)을 위한 최적의 비율 할당 및 전력 제어 방식을 제안한다. 공통 메시지의 비율 할당과 공통 및 개인 스트림에 대한 전송 전력의 공동 최적화를 통해, 순차적 간섭 제거(SIC) 제약 조건 하에 합성 비율을 최대화하며, 이로 인해 NOMA 및 OFDMA 대비 각각 최대 15.6% 및 21.5%의 스펙트럼 효율 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, the sum-rate maximization problem is studied for wireless networks that use downlink rate splitting multiple access (RSMA). In the considered model, each base station (BS) divides the messages that must be transmitted to its users into a `private' part and a `common' part. Here, the common message is a message that all users want to receive and the private message is a message that is dedicated to only a specific user. The RSMA mechanism enables a BS to adjust the split of common and private messages so as to control the interference by decoding and treating interference as noise and, thus optimizing the data rate of users. To maximize the users' sum-rate, the network can determine the rate allocation for the common message to meet the rate demand, and adjust the transmit power for the private message to reduce the interference. This problem is formulated as an optimization problem whose goal is to maximize the sum-rate of all users. To solve this nonconvex maximization problem, the optimal power used for transmitting the private message to the users is first obtained in closed form for a given rate allocation and common message power. Based on the optimal private message transmission power, the optimal rate allocation is then derived under a fixed common message transmission power. Subsequently, a one-dimensional search algorithm is proposed to obtain the optimal solution of common message transmission power. Simulation results show that the RSMA can achieve up to 15.6\% and 21.5\% gains in terms of data rate compared to non-orthogonal multiple access (NOMA) and orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA), respectively.

연구 동기 및 목표

• SISO 시스템에서 RSMA의 비율 할당 및 전력 제어에 대한 공동 최적 해의 부족을 해결하기 위해.
• 공통 메시지와 개인 메시지 간의 분할을 최적화하여 네트워크 합성 비율을 최대화하기 위해.
• 공통 메시지의 신뢰성 있는 복원을 보장하고 간섭 관리를 유지하기 위해 순차적 간섭 제거(SIC) 제약 조건을 통합하기 위해.
• 고정된 공통 메시지 전력 하에서 개인 메시지 전력과 최적의 비율 할당에 대한 닫힌 형태의 해를 유도하기 위해.
• 공통 메시지 전력에 대한 일차원 검색 알고리즘을 개발하여 최적의 공통 메시지 전력을 찾기 위해.

제안 방법

• SIC 및 전력 예산 제약 조건 하에서 합성 비율 최대화를 비볼록 최적화 문제로 공식화한다.
• 주어진 공통 메시지 전력과 비율 할당에 대해 최적의 개인 메시지 전력에 대한 닫힌 형태의 해를 유도한다.
• 최적의 개인 메시지 전력을 활용하여 고정된 공통 메시지 전력 하에서 공통 메시지에 대한 최적의 비율 할당을 유도한다.
• 공통 메시지 전력에 대한 일차원 검색을 통해 전역 최적해를 찾는다.
• 사용자 채널 이득과 비율 요구 사항에 따라 세 가지 경우로 나누어 최적의 비율 할당을 결정한다.
• 공통 메시지 신뢰성 있는 복원과 간섭 관리를 위해 SIC 제약 조건을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SISO 다운링크 시스템에서 RSMA의 비율 할당 및 전력 제어를 어떻게 공동 최적화하여 합성 비율을 최대화할 수 있는가?
• RQ2 공통 메시지 전력과 비율 할당이 고정된 경우 개인 메시지에 대한 최적의 전력 할당은 무엇인가?
• RQ3 SIC 제약 조건 하에서 사용자 간에 공통 메시지 비율을 어떻게 할당하여 합성 비율을 최대화할 수 있는가?
• RQ4 전체 합성 비율을 최대화하기 위해 최적의 공통 메시지 전송 전력은 무엇인가?
• RQ5 제안된 방식이 스펙트럼 효율 측면에서 NOMA 및 OFDMA를 얼마나 뛰어나게 하는가?

주요 결과

• 제안된 방식은 비차별 다중접속(NOMA) 대비 최대 15.6% 높은 합성 비율을 달성한다.
• 제안된 방식은 정규화 주파수 분할 다중접속(OFDMA) 대비 최대 21.5% 높은 합성 비율을 달성한다.
• 임의의 주어진 공통 메시지 전력과 비율 할당에 대해 개인 메시지 최적 전력이 닫힌 형태로 도출된다.
• 사용자 채널 이득과 비율 요구 사항을 바탕으로 공통 메시지에 대한 최적의 비율 할당이 결정되며, 채널 조건에 따라 세 가지 경우로 분석된다.
• 일차원 검색 알고리즘이 공통 메시지 전력에 대해 전역 최적해로 효율적으로 수렴한다.
• 해결책은 SIC 제약 조건을 충족시켜 공통 메시지의 신뢰성 있는 복원을 보장하면서 간섭을 최소화한다.