[논문 리뷰] Rate-Splitting for Multi-Antenna Non-Orthogonal Unicast and Multicast Transmission: Spectral and Energy Efficiency Analysis

Yijie Mao, Bruno Clerckx외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 44인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 비정렬 유니캐스트 및 멀티캐스트(NOUM) 전송을 위한 1층 및 일반화된 레이트 스플리팅(RS) 전략을 제안하며, 기존의 연속 간섭 제거(SIC) 수신기를 활용하여 멀티캐스트와 다중 사용자 간섭을 동시에 복원한다. 제안된 RS 전략은 다양한 채널 조건과 네트워크 부하에서 MU-LP, OMA 및 NOMA보다 뛰어난 스펙트럼 및 에너지 효율성을 달성하며, 1층 RS는 낮은 복잡도로 near-optimal 성능을 제공한다.

ABSTRACT

In a Non-Orthogonal Unicast and Multicast (NOUM) transmission system, a multicast stream intended to all the receivers is superimposed in the power domain on the unicast streams. One layer of Successive Interference Cancellation (SIC) is required at each receiver to remove the multicast stream before decoding its intended unicast stream. In this paper, we first show that a linearly-precoded 1-layer Rate-Splitting (RS) strategy at the transmitter can efficiently exploit this existing SIC receiver architecture. We further propose multi-layer transmission strategies based on the generalized RS and power-domain Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA). Two different objectives are studied for the design of the precoders, namely, maximizing the Weighted Sum Rate (WSR) of the unicast messages and maximizing the system Energy Efficiency (EE), both subject to Quality of Service (QoS) rate requirements of all the messages and a sum power constraint. A Weighted Minimum Mean Square Error (WMMSE)-based algorithm and a Successive Convex Approximation (SCA)-based algorithm are proposed to solve the WSR and EE problems, respectively. Numerical results show that the proposed RS-assisted NOUM transmission strategies are more spectrally and energy efficient than the conventional Multi-User Linear-Precoding (MU-LP), Orthogonal Multiple Access (OMA) and power-domain NOMA in a wide range of user deployments (with a diversity of channel directions, channel strengths and qualities of channel state information at the transmitter) and network loads (underloaded and overloaded regimes). It is superior for the downlink multi-antenna NOUM transmission.

연구 동기 및 목표

• 기존의 다중 사용자 선형 프리코딩(MU-LP)이 채널 수직성과 불완전한 CSIT에 민감한 점을 해결한다.
• NOUM 수신기의 기존 SIC 아키텍처를 유니캐스트-멀티캐스트 분리뿐만 아니라 유니캐스트 스트림 간의 다중 사용자 간섭 관리에도 활용한다.
• QoS 및 총 전력 제약 조건 하에서 가중합률(WSR) 또는 에너지 효율(EE)을 최대화하는 저복잡도 프리코더를 설계한다.
• 다양한 사용자 배치, 채널 조건 및 네트워크 부하(부족 및 과부하 상태)에서 RS 기반 NOUM 전략의 강인성과 우수성을 입증한다.

제안 방법

• 유니캐스트 메시지를 공통 및 개인 부분으로 분할하고, 공통 부분을 멀티캐스트 스트림과 함께 초공통 스트림으로 인코딩하여 모든 사용자가 복원할 수 있도록 하는 1층 RS 전략을 제안한다.
• 부분적 간섭 복원 및 부분적 노이즈 처리를 가능하게 하는 일반화된 다층 RS 프레임워크를 도입하여 스펙트럼 효율을 향상시킨다.
• 총 전력 및 QoS 제약 조건 하에서 WSR 최적화 문제를 해결하기 위해 가중최소제곱오차(WMMSE) 기반 알고리즘을 개발한다.
• 동일한 제약 조건 하에서 EE 최적화 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록근사(СА) 기반 알고리즘을 설계한다.
• 수신기의 기존 SIC 기능을 활용하여 유니캐스트 및 멀티캐스트 스트림 분리와 동시에 유니캐스트 스트림 간 간섭 관리를 수행한다.
• 스펙트럼 및 에너지 효율 측면에서 제안된 RS 전략을 MU-LP, OMA 및 NOMA 기반 전략(SC-SIC 및 그룹별 SC-SIC)과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이트 스플리팅(RS)이 다중 안테나 비정렬 유니캐스트 및 멀티캐스트(NOUM) 전송에 효과적으로 적용되어 스펙트럼 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 제안된 1층 RS 전략은 기존의 SIC 수신기 아키텍처를 어떻게 활용하여 멀티캐스트-유니캐스트 분리와 다중 사용자 유니캐스트 간섭을 동시에 관리하는가?
• RQ3 다양한 채널 조건과 네트워크 부하에서 일반화된 RS 전략이 기존의 MU-LP, OMA 및 NOMA에 비해 WSR 및 EE 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ4 특히 수신기 복잡도와 계산 부담 측면에서, 제안된 RS 기반 전략은 SC-SIC 및 그룹별 SC-SIC 전략과 비교해 성능과 복잡도에서 어떻게 다른가?
• RQ5 불완전한 송신기 채널 상태 정보(CSIT) 및 다양한 사용자 배치 조건 하에서도 제안된 RS 프레임워크는 얼마나 강인하고 성능 향상을 유지하는가?

주요 결과

• 일반화된 RS 기반 NOUM 전략은 모든 테스트된 사용자 배치, 즉 과부하 및 부하 미달 상태에서 MU-LP, OMA 및 NOMA를 모두 초월하며 스펙트럼 및 에너지 효율에서 뚜렷한 향상을 보였다.
• 1층 RS 전략은 일반화된 RS의 near-optimal 성능을 훨씬 낮은 계산 복잡도로 달성하며, 모든 시뮬레이션 환경에서 MU-LP보다 WSR 및 EE 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 동적 전력(P_dyn)이 존재할 경우, 1층 RS는 WMMSE 알고리즘에서 단 한 번의 반복만으로 수렴하는 반면, SC-SIC 기반 전략은 복원 순서에 따라 반복 최적화가 필요하여 송신기 복잡도가 증가한다.
• RS의 EE 영역은 OMA의 역점 점 간 선분에 국한된 것과 달리 훨씬 넓고 높은 효율성의 트레이드오프 영역을 달성한다.
• 사용자 채널이 수직적이지 않을 경우, 1층 RS는 대부분의 배치에서 SC-SIC 및 그룹별 SC-SIC보다 더 뛰어난 EE 성능을 보이며 채널 불균형에 대한 강인함을 입증한다.
• 제안된 1층 RS는 MU-LP와 동일한 수신기 복잡도를 유지하면서도 훨씬 뛰어난 성능을 제공하므로, 향후 5G/6G 네트워크에 매우 실용적이고 효율적인 솔루션이다.