[논문 리뷰] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-antenna Downlink Communication Systems: Spectral and Energy Efficiency Tradeoff

Gui Zhou, Yijie Mao외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비율에 따라 변하는 회로 전력 제약 조건을 고려한 다중 안테나 다운링크 시스템에서, Rate-Splitting Multiple Access (RSMA)를 위한 공동 스펙트럼 효율성(Spectral Efficiency, SE) 및 에너지 효율성(Energy Efficiency, EE) 최적화 프레임워크를 제안한다. 다중 목표 문제를 가중합 및 가중전력 방법을 통해 단일 목표 하위문제로 변환하고, 이중 사용자 시스템에 대해서는 저복잡도 알고리즘, K-사용자 시스템에 대해서는 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 기반 방법을 적용함으로써, SDMA 및 NOMA보다 더 빠른 수렴 속도와 뛰어난 SE-EE 트레이드오프 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Rate-splitting (RS) has recently been recognized as a promising physical-layer technique for multi-antenna broadcast channels (BC). Due to its ability to partially decode the interference and partially treat the remaining interference as noise, RS is an enabler for a powerful multiple access, namely rate-splitting multiple access (RSMA), that has been shown to achieve higher spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) than both space division multiple access (SDMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA) in a wide range of user deployments and network loads. As SE maximization and EE maximization are two conflicting objectives, the study of the tradeoff between the two criteria is of particular interest. In this work, we address the SE-EE tradeoff by studying the joint SE and EE maximization problem of RSMA in multiple input single output (MISO) BC with rate-dependent circuit power consumption at the transmitter. To tackle the challenges coming from multiple objective functions and rate-dependent circuit power consumption, we first propose two methods to transform the original problem into a single-objective problem, namely, weighted-sum method and weighted-power method. A successive convex approximation (SCA)-based algorithm is then proposed to jointly optimize the precoders and RS message split of the transformed problem. Numerical results show that our algorithm converges much faster than existing algorithms. In addition, the performance of RS is superior to or equal to non-RS strategy in terms of both SE and EE and their tradeoff.

연구 동기 및 목표

• 실제 비율에 따라 변하는 회로 전력 제약 조건 하에서 다중 안테나 다운링크 시스템의 스펙트럼 효율성(SE)과 에너지 효율성(EE) 간의 근본적인 트레이드오프를 다루는 것.
• RSMA 프리코더 설계에서 비율에 따라 변하는 회로 전력으로 인한 다중 목표 최적화 및 비볼록성 문제를 해결하는 것.
• 사전 정의된 SE 제약 조건의 타당성 검사를 필요로 하지 않고 SE와 EE를 동시에 최대화하는 효율적인 알고리즘 개발.
• SDMA 및 NOMA와 비교해 RSMA가 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 측면에서 뛰어난 성능과 트레이드오프를 보임을 입증하는 것.

제안 방법

• 가중합 방법과 가중전력 방법을 활용해 다중 목표 SE-EE 최적화 문제를 두 개의 단일 목표 하위문제로 변환한다.
• 변환된 단일 목표 문제를 해결함으로써 이중 사용자 MISO BC 케이스에 대해 저복잡도의 폐형 해를 가지는 알고리즘을 제안한다.
• 비볼록 프리코더 최적화를 다루기 위해 K-사용자 시스템으로 확장하기 위해 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 기반 알고리즘을 활용한다.
• 송신기의 회로 전력을 실제 하드웨어 제약 조건을 반영하기 위해 비율에 따라 변하는 함수로 모델링한다.
• Karush-Kuhn-Tucker (KKT) 조건과 부분 1차 근사 근사를 활용해 SCA 프레임워크의 최적성 조건을 유도한다.
• 내부 근사 기법을 적용해 반복적으로 해를 정밀화함으로써 원래 문제의 정류점에 수렴하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비율에 따라 변하는 회로 전력 조건이 존재하는 다중 안테나 다운링크 시스템에서 SE와 EE 간의 갈등하는 목표를 어떻게 공동 최적화할 수 있는가?
• RQ2 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 RSMA가 SDMA 및 NOMA에 비해 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 트레이드오프 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 이중 사용자 RSMA 시스템에서 공동 SE-EE 최적화를 위한 폐형 해를 가지는 저복잡도 알고리즘을 유도할 수 있는가?
• RQ4 K-사용자 시스템에 대한 SCA 기반 알고리즘이 기존 방법 대비 수렴 속도와 성능 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비율에 따라 변하는 회로 전력은 SE-EE 트레이드오프 및 그에 따른 프리코더 설계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 SCA 기반 알고리즘이 기존 알고리즘보다 훨씬 더 신속하게 수렴함으로써 계산 효율성이 향상됨을 입증하였다.
• 다양한 사용자 배치 및 네트워크 하중 범위에서 RSMA는 SDMA 및 NOMA보다 더 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 달성한다.
• 가중합 및 가중전력 방법을 통한 공동 SE-EE 최적화가 고정된 SE 제약 조건과 관련된 타당성 문제를 효과적으로 방지함을 확인하였다.
• 이중 사용자 케이스에서는 제안된 저복잡도 알고리즘이 폐형 해를 달성하여 실시간 구현이 가능함을 입증하였다.
• K-사용자 SCA 기반 알고리즘은 원래 비볼록 문제의 정류점으로 수렴함으로써 신뢰성 있는 성능을 보장한다.
• 수치 결과는 RSMA가 전반적인 SNR 영역에서 SE-EE 트레이드오프를 뛰어나게 제공하며, 항상 SDMA 및 NOMA를 능가하거나 동등한 성능을 유지함을 확인하였다.