[논문 리뷰] Rate-Splitting Multiple Access for Overloaded Cellular Internet of Things

Yijie Mao, Enrico Piovano외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 송신기에서 채널 상태 정보(CSIT)가 이질적인 과부하 상태의 셀룰러 IoT 네트워크를 위한 파wr 파artitioning–레이트 스플릿 맬티플렉싱 액세스(PP–RSMA)를 제안한다. 파워 스플릿팅 프리코딩을 통해 고성능 사용자(부분적 CSIT)와 IoT 장치(통계적 CSIT)를 동일한 타임슬롯에서 동시에 서비스함으로써, PP–RSMA는 고신호대역비(SNR)에서 최적의 자유도(DoF)를 달성하고, 시간 분할–RSMA 및 기준선 기법들보다 명시적인 합산 속도 이득을 제공한다. 또한 CSIT 부정확성에 대해 강건하며, QoS 제약 조건에 대해 유연하다.

ABSTRACT

In the near future, it is envisioned that cellular networks will have to cope with extensive Internet of Things (IoT) devices. Therefore, a required feature of cellular IoT will be the capability to serve simultaneously a large number of devices with heterogeneous demands and qualities of Channel State Information at the Transmitter (CSIT). In this paper, we focus on an overloaded Multiple-Input Single-Output (MISO) Broadcast Channel (BC) with two groups of CSIT qualities, namely one group of users (representative of high-end devices) for which the transmitter has partial knowledge of the CSI, the other group of users (representative of IoT devices) for which the transmitter only has knowledge of the statistical CSI. We introduce Rate-Splitting Multiple Access (RSMA), a new multiple access based on multi-antenna Rate-Splitting (RS) for cellular IoT. Two strategies are proposed, namely, Time Partitioning-RSMA (TP-RSMA) and Power Partitioning-RSMA (PP-RSMA). The former independently serves the two groups of users over orthogonal time slots while the latter jointly serves the two groups of users within the same time slot in a non-orthogonal manner. We first show at high Signal-to-Noise Ratio (SNR) that PP-RSMA achieves the optimum Degrees-of-Freedom (DoF) in an overloaded MISO BC with heterogeneous CSIT qualities and then show at finite SNR that, by marrying the benefits of PP and RSMA, PP-RSMA achieves explicit sum rate gain over TP-RSMA and all baseline schemes. Furthermore, PP-RSMA is robust to CSIT inaccuracy and flexible to cope with Quality of Service (QoS) rate constraints of all users. The DoF and rate analysis helps us draw the conclusion that PP-RSMA is a powerful framework for cellular IoT with a large number of devices.

연구 동기 및 목표

• 과부하 상태의 셀룰러 네트워크에서 이질적인 CSIT 품질을 가진 막대한 수의 IoT 장치를 서비스하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 기존의 SDMA 및 NOMA가 과부하 상태이거나 CSIT가 불완전한 상황에서 가지는 한계를 극복한다.
• 부분적 또는 통계적 CSIT 조건 하에서 높은 스펙트럼 효율성과 강건성을 유지하는 다중 액세스 기법을 설계한다.
• 동일한 시간-주파수 자원에서 고성능 및 저성능 IoT 사용자를 함께 전송하면서 QoS의 유연성을 확보한다.
• 실제 CSIT 제약 조건 하에서 최적의 DoF 및 합산 속도 성능을 달성한다.

제안 방법

• 시간 분할–RSMA(직렬 타임슬롯) 및 파워 파artitioning–RSMA(비직렬 동시 전송)의 두 전략을 제안한다.
• 공통 스트림과 개인 스트림을 포함한 레이트 스플릿팅을 사용하며, 공통 스트림은 부분적 CSIT를 가진 사용자들에 대한 간섭을 정렬하도록 프리코딩된다.
• 사용자 간 파워 파artitioning을 구현: 고신호대역비 사용자에게는 개인 스트림, 통계적 CSIT 사용자에게는 공통 스트림을 제공한다.
• 고신호대역비에서 자유도(DoF) 분석을 수행하여, 이질적 CSIT 조건 하에서 과부하 상태의 MISO BC에서 PP–RSMA의 최적성 증명한다.
• 합산 속도 표현식을 유도하고, 유한한 SNR 조건에서 PP–RSMA를 TP–RSMA 및 기준선 기법들(예: SDMA, NOMA)과 비교한다.
• 귀납법과 면 분석을 적용하여 DoF 영역의 달성 가능성을 증명하며, [29]의 반대 증명을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RSMA는 두 그룹의 사용자(다른 CSIT 품질)가 존재하는 과부하 상태의 MISO BC에서 최적의 자유도(DoF)를 달성할 수 있는가?
• RQ2 PP–RSMA는 TP–RSMA 및 기존 다중 액세스 기법들(SDMA, NOMA)과 비교해 합산 속도 및 강건성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 PP–RSMA는 불완전하거나 통계적 CSIT 조건 하에서도 성능을 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ4 PP–RSMA는 이질적 사용자들에게 다양한 품질의 서비스(QoS) 속도 요구 조건을 지원할 수 있는가?
• RQ5 부분적 및 통계적 CSIT 조건이 존재하는 과부하 상태의 MISO BC에서 달성 가능한 DoF 영역은 무엇인가?

주요 결과

• PP–RSMA는 고신호대역비 조건에서 이질적 CSIT 품질을 가진 과부하 상태의 MISO BC에서 최적의 자유도(DoF)를 달성한다.
• 유한한 SNR 조건에서, PP–RSMA는 TP–RSMA 및 모든 기준선 기법들(SDMA, NOMA 포함)보다 명시적인 합산 속도 이득을 제공한다.
• PP–RSMA의 DoF 영역은 [29]에서 유도된 외부 경계와 일치하며, 최적성의 증명이 된다.
• 공통 스트림과 파워 파artitioning에 의한 간섭 관리 덕분에, PP–RSMA는 CSIT 부정확성에 강건하다.
• 이 기법은 매우 탄력적이며, 통계적 CSIT를 가진 사용자 포함 모든 사용자의 개별 QoS 속도 요구 조건을 충족시킬 수 있다.
• 제안된 방법은 파워 파artitioning과 다각형 영역의 면에 대한 시간 공유를 통해 DoF 영역을 달성하며, 귀납법과 반대 증명을 통해 검증되었다.