[논문 리뷰] Rate-Splitting Multiple Access for Enhanced URLLC and eMBB in 6G

Onur Dizdar, Yijie Mao외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 25인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크를 위한 강인한 다중접속 방식으로 Rate-Splitting Multiple Access (RSMA)를 제안하며, 사용자 이동성과 네트워크 지연으로 인해 발생하는 불완전한 송신기에서의 채널 상태 정보(CSIT) 조건 하에서 초고신뢰성 저지연 통신(URLLC)과 향상된 이동성 브로드밴드(eMBB)를 가능하게 한다. 사용자 메시지를 공통 및 개인 스트림으로 분할하고, 오래된 CSI를 고려한 최적의 전력 할당을 통해 RSMA는 특히 사용자 이동성과 저지연 조건에서 SDMA 및 NOMA보다 훨씬 높은 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 달성한다.

ABSTRACT

Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) is a flexible and robust multiple access scheme for downlink multi-antenna wireless networks. RSMA relies on Rate-Splitting (RS) at the transmitter and Successive Interference Cancellation (SIC) at the receivers. In this work, we study the performance of RSMA in the scenarios related with the important core services of New Radio (NR) and 6G, namely, enhanced Ultra-Reliable and Low-Latency (URLLC) and enhanced Mobile Broadband Communications (eMBB). We present the optimal system designs employing RSMA that target short-packet and low-latency communications as well as robust communications with high-throughput under the practical and important setup of imperfect Channel State Information at Transmitter (CSIT) originating from user mobility and feedback latency in the network. We demonstrate via numerical results that RSMA achieves significantly higher performance than Space Division Multiple Access (SDMA) and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA), and is capable of addressing the requirements for enhanced URLLC and eMBB in 6G efficiently.

연구 동기 및 목표

• 사용자 이동성과 네트워크 지연으로 인한 불완전하고 오래된 송신기에서의 채널 상태 정보(CSIT)로 인해 기존 다중접속 방식인 SDMA 및 NOMA의 성능 저하 문제를 해결한다.
• 실제 CSIT 불완전성 조건 하에서 다중 안테나 다운링크 시스템에서 합산 속도와 전송률을 최대화하는 RSMA에 대한 최적의 전력 할당 전략을 설계한다.
• 실제 3GPP 채널 모델을 사용하여 단기 패킷, 저지연 URLLC 및 고전송률 eMBB 시나리오에서 RSMA의 강인성과 스펙트럼 효율성을 평가한다.
• 특히 고신호대임비(SNR)와 증가하는 사용자 속도 조건에서 사용자 이동성과 오래된 CSI 하에서 RSMA가 합산 속도 및 전송률 측면에서 SDMA 및 NOMA를 능가함을 입증한다.

제안 방법

• 전송 안테나 수 $ n_t $ 와 단일 안테나 사용자 수 $ K $ 를 가진 MISO 방송 채널에서 1단계 Rate-Splitting Multiple Access(RSMA)를 적용하여 각 사용자의 메시지를 공통 및 개인 부분으로 분할한다.
• 가용한(불완전한) CSIT를 사용하여 공통 및 개인 스트림에 대해 예측편성(_precoding)을 적용하며, 수신기에서 순차적 인터패킷 간섭 제거(SIC)를 통해 먼저 공통 스트림을 디코드한다.
• 합산 속도의 하한을 최대화하는 닫힌 형태의 전력 할당 계수 $ t_{\text{opt}} $ 를 유도하여 CSIT 불확실성 조건 하에서도 효율적이고 강인한 전송을 가능하게 한다.
• 30 kHz 서브Carrier 간격과 256개의 서브Carrier를 가진 순환 프리픽스 직교周역분할 multiplexing(CP-OFDM) 웨이브폼을 사용하여 실제적인 3.5 GHz 주파수 대역을 시뮬레이션한다.
• 3GPP 도시 마이크로셀 채널을 모델링하기 위해 Quadriga 채널 생성기를 적용하며, 23개의 클러스터와 클러스터당 20개의 레이를 포함하고, 300 ns 지연 확산과 10 ms 채널 상태 정보(CSI) 확보 지연을 반영한다.
• 공개 스트림 예측편성에 블록 대각형(BD) 기법을 사용하고 스트림 간 등가 전력 분배를 적용하여 다중 안테나 수신기($ n_r = 4 $) 환경으로 모델을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자 이동성과 오래된 CSI 조건 하에서 RSMA가 합산 속도 및 전송률 측면에서 SDMA 및 NOMA와 비교해 어떻게 성능을 내는가?
• RQ2 제안된 닫힌 형태의 전력 할당 계수 $ t_{\text{opt}} $ 는 실질적인 CSIT 조건 하에서 망설이지 않고 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ3 다중 안테나 수신기가 RSMA 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 제안된 전력 할당 전략은 이러한 구성에서도 효과를 발휘하는가?
• RQ4 RSMA는 고신호대임비(SNR) 조건에서 사용자 속도 증가에 따라 SDMA와 비교해 어떻게 강인성을 유지하고 성능 포화를 피하는가?
• RQ5 RSMA는 실제 전파 환경에서 6G URLLC 및 eMBB 서비스의 엄격한 신뢰성 및 지연 요구사항을 얼마나 잘 충족하는가?

주요 결과

• 유도된 닫힌 형태의 전력 할당 계수 $ t_{\text{opt}} $ 를 사용할 경우 RSMA는 모든 사용자 속도 및 신호대임비(SNR) 수준에서 완전한 검색 최적 솔루션과 비교해 1% 미만의 성능 격차를 유지하며 합산 속도 및 전송률 성능을 근사 최적 수준으로 달성한다.
• 사용자 속도가 증가함에 따라(최대 100 km/h) RSMA는 성능 포화 없이 안정적인 성능을 유지하지만, SDMA의 합산 속도 및 전송률은 고신호대임비 조건에서 심각하게 저하되며 결국 포화 상태에 도달한다.
• 25 dB 및 35 dB 평균 수신 신호대임비(SNR) 조건에서 RSMA는 모든 사용자 속도에서 강인한 성능을 유지하며, CSIT 노후화 및 이동성에 의한 채널 오류에 대한 저항성을 입증한다.
• 다중 안테나 수신기($ n_r = 4 $) 조건에서도 RSMA는 여전히 SDMA를 능가하지만, 다중 안테나 환경에서의 비최적성으로 인해 제안된 전력 할당 전략은 비단조화적인 행동을 보일 수 있다.
• 단일 및 다중 안테나 수신기 시나리오 모두에서 RSMA는 고이동성 및 고신호대임비 조건에서 SDMA 대비 뚜렷한 전송률 향상을 보이며, 6G 사용 사례에서의 열등성 확인에 기여한다.
• 수치적 결과는 RSMA가 6G URLLC 및 eMBB를 위한 유망한 후보임을 확인하며, 불완전한 CSIT 및 단기 패킷 전송 제약 조건 하에서도 간섭을 효과적으로 관리하고 신뢰성을 유지함을 입증한다.