[논문 리뷰] Rate-Splitting Multiple Access for Cooperative Multi-Cell Networks.

Yijie Mao, Bruno Clerckx외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 개별 QoS 및 전력 제약 조건 하에서 가중합비율(sum-rate)을 최대화하기 위해 협업 다셀 네트워크에서 비율 분할 다중접속(RSMA)을 제안한다. 데이터 스트림을 분할하고 순차적 간섭 제거를 적용함으로써 RSMA는 다양한 채널 조건에서 SDMA 및 NOMA를 능가하며, 향상된 스펙트럼 효율성, 강건성, QoS 보장을 제공한다.

ABSTRACT

As a promising downlink multiple access scheme, Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) has been shown to achieve superior spectral and energy efficiencies compared with Space-Division Multiple Access (SDMA) and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in downlink single-cell systems. By relying on linearly precoded rate-splitting at the transmitter and successive interference cancellation at the receivers, RSMA has the capability of partially decoding the interference and partially treating the interference as noise, and therefore copes with a wide range of user deployments and network loads. In this work, we further investigate RSMA in cooperative multi-cell networks. Specifically, we study the optimal beamformer design to maximize the Weighted Sum-Rate (WSR) of all the users subject to individual Quality of Service (QoS) rate constraints and per base station power constraints. Numerical results show that, in a fully cooperative multi-cell network, RSMA achieves significant WSR improvement over SDMA and NOMA in a wide range of inter-user and inter-cell channel strength disparities. Specifically, SDMA (resp. NOMA) is more suited to deployments with little (resp. large) inter-user channel strength disparity and large (resp. little) inter-cell channel disparity, while RSMA is suited to any deployment. We conclude that RSMA provides rate, robustness and QoS enhancements over SDMA and NOMA in cooperative multi-cell networks.

연구 동기 및 목표

• 다양한 사용자 및 셀 채널 조건이 존재하는 협업 다셀 네트워크에서 높은 스펙트럼 효율성과 강건한 성능를 달성하는 과제를 해결한다.
• 일부 채널 불균형 상황에서 성능이 떨어지는 기존 기법들인 SDMA 및 NOMA의 한계를 극복한다.
• 개별 사용자 QoS 및 각 기지국의 전력 제약 조건을 만족하면서 가중합비율을 최대화하는 RSMA를 위한 최적의 빔포밍 전략을 설계한다.
• 다양한 사용자 간 및 셀 간 채널 강도 불균형에 걸쳐 RSMA의 유연성과 우수성을 입증한다.
• 네트워크 배치 특성에 관계없이 높은 성능를 유지하는 통합된 다중접속 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 기지국에서 선형 프리코딩을 적용하여 데이터 스트림을 공통 스트림과 개인 스트림으로 분할함으로써 부분 간섭 복원 및 부분 간섭 노이즈 처리를 가능하게 한다.
• 사용자 장비에서 공통 스트림을 먼저 복원하고 개인 스트림을 복원함으로써 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용하여 효과적 간섭을 감소시킨다.
• 개별 사용자 비율 제약 조건 및 각 기지국의 전력 제한 조건을 만족하는 가중합비율 최대화 문제를 수립한다.
• 볼록 최적화 기법을 사용하여 빔포머 설계 문제를 해결함으로써 전역 최적해에 수렴함을 보장한다.
• 모든 기지국 간의 완전한 협업을 가정하여 다셀 협업 네트워크를 모델링하고, 셀 간 공동 빔포밍을 가능하게 한다.
• 협동 빔포밍 및 비율 분할 전략을 통합하여 RSMA 프레임워크 내에서 셀 간 간섭 관리를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RSMA는 다양한 사용자 간 및 셀 간 채널 강도 불균형 조건에서 SDMA 및 NOMA에 비해 가중합비율 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ2 RSMA는 어떤 네트워크 환경에서 스펙트럼 효율성 및 QoS 제공 측면에서 SDMA 및 NOMA를 능가하는가?
• RQ3 SDMA 및 NOMA와 달리 RSMA는 높거나 낮은 사용자 간 채널 불균형 조건에서도 높은 성능를 유지할 수 있는가?
• RQ4 RSMA의 성능에 대해 셀 간 간섭이 미치는 영향은 SDMA 및 NOMA와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 RSMA의 공동 빔포밍 설계는 개별 사용자 QoS를 보장하면서도 시스템 합비율을 최대화하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• RSMA는 다양한 사용자 간 및 셀 간 채널 강도 불균형 조건에서 SDMA 및 NOMA에 비해 뚜렷한 가중합비율(WSR) 향상을 달성한다.
• SDMA는 낮은 사용자 간 불균형과 높은 셀 간 불균형 조건에서 최고의 성능를 보이며, NOMA는 높은 사용자 간 불균형과 낮은 셀 간 불균형 조건에서 뛰어난 성능를 보인다.
• RSMA는 채널 강도 분포의 특성에 관계없이 높은 성능를 유지함으로써 뛰어난 강건성을 입증한다.
• 제안된 RSMA 빔포밍 설계는 개별 사용자 QoS 제약 조건을 성공적으로 충족시키면서도 시스템 스펙트럼 효율성을 최대화한다.
• 완전한 협업 다셀 네트워크에서 RSMA는 SDMA 및 NOMA에 비해 향상된 비율, 강건성, QoS 성능를 제공한다.
• 수치 결과는 RSMA가 이질적 네트워크 환경에 적합한 다중접속 솔루션으로서의 유연성과 확장성을 갖춘다는 것을 확인한다.