[논문 리뷰] Rate Splitting with Finite Constellations: The Benefits of Interference Exploitation vs Suppression

Abdelhamid Salem, Christos Masouros외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 19.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 MIMO 시스템에서 위상 이동 키우잉(PSK) 신호 전송을 위한 비율 분할(RS)에 대한 구성적 간섭(CI) 예비처리 기법을 제안하며, 간섭을 유리하게 활용하여 ZF 예비처리 및 전통적인 선형 예비처리(NoRS)보다 우수한 성능을 보임을 입증한다. 주요 기여는 유한한 조합체를 고려한 새로운 전력 할당 전략으로, 고신호대역비(SNR) 영역에서 ZF 및 NoRS 대비 최대 10 dB의 SNR 이득을 달성한다.

ABSTRACT

Rate-Splitting (RS) has been proposed recently to enhance the performance of multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems. In RS, a user message is split into a common and a private part, where the common part is decoded by all users, while the private part is decoded only by the intended user. In this paper, we study RS under a phase-shift keying (PSK) input alphabet for multi-user multi-antenna system and propose a constructive interference (CI) exploitation approach to further enhance the sum-rate achieved by RS under PSK signaling. To that end, new analytical expressions for the ergodic sum-rate are derived for two precoding techniques of the private messages, namely, 1) a traditional interference suppression zero-forcing (ZF) precoding approach, 2) a closed-form CI precoding approach. Our analysis is presented for perfect channel state information at the transmitter (CSIT), and is extended to imperfect CSIT knowledge. A novel power allocation strategy, specifically suited for the finite alphabet setup, is derived and shown to lead to superior performance for RS over conventional linear precoding not relying on RS (NoRS). The results in this work validate the significant sum-rate gain of RS with CI over the conventional RS with ZF and NoRS.

연구 동기 및 목표

• 실제 유한한 조합체 신호 전송 조건에서 발생하는 다중 사용자 간섭으로 인한 기존 다중 사용자 MIMO 시스템의 성능 한계를 해결하기 위해.
• 다중 안테나 다운링크 시스템에서 PSK 입력을 사용할 때 구성적 간섭(CI) 예비처리가 비율 분할(RS)의 합률 성능을 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 합률 이득을 극대화하기 위해 유한한 조합체 시스템에 특화된 전력 할당 전략을 개발하여 RS와 전통적인 선형 예비처리(NoRS) 간의 성능 격차를 최대화하기 위해.
• 이격된 채널 상태 정보 기반 예비처리(CSIT)가 있는 경우와 없는 경우에 대해 CI 예비처리를 적용한 RS의 에르고딕 합률 성능을 ZF 예비처리를 적용한 RS 및 NoRS와 비교하기 위해.

제안 방법

• 사용자 메시지를 공통 및 개인 스트림으로 분할하는 새로운 비율 분할(RS) 프레임워크를 제안하며, 공통 메시지는 순차적 간섭 제거(SIC)를 통해 모든 사용자가 디코딩한다.
• 전송 전력 증가 없이도 효과적인 간섭 대 잡음비(SINR)를 향상시키기 위해 간섭을 구성적으로 정렬하는 폐형 해법을 가진 구성적 간섭(CI) 예비처리 기법을 도입한다.
• PSK 신호 전송 및 유한한 조합체 조건을 고려하여 개인 메시지에 대한 CI 및 제로포싱(ZF) 예비처리 하에서의 에르고딕 합률에 대한 새로운 분석적 표현을 유도한다.
• 유한한 알파벳 제약 조건을 반영한 전력 할당 전략을 개발하여 공통 메시지와 개인 메시지 간의 전력 분할을 최적화하고, 합률 이득을 극대화함을 입증한다.
• 실제 채널 추정 오차 상황을 고려한 불완전한 CSIT 환경으로의 분석 확장하여 성능의 강인성과 타당성을 검증한다.
• QPSK 및 8PSK 조합체를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 다양한 SNR, 사용자 분포 및 기지국 안테나 수를 고려하여 CI 예비처리를 적용한 RS, ZF 예비처리를 적용한 RS, 그리고 NoRS 간의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSK 신호 전송을 갖는 다중 사용자 MIMO 시스템에서 구성적 간섭(CI) 예비처리가 비율 분할(RS)의 합률 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이격된 채널 상태 정보 기반 예비처리(CSIT)가 있는 경우와 없는 경우에 대해 CI 예비처리를 적용한 RS의 합률 성능이 ZF 예비처리를 적용한 RS 및 전통적인 선형 예비처리(NoRS)와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 유한한 조합체를 갖는 RS 시스템에서 공통 메시지와 개인 메시지 간의 최적 전력 할당 전략은 무엇이며, 이를 통해 합률을 극대화할 수 있는가?
• RQ4 기지국 안테나 수와 사용자 수가 증가함에 따라 CI 예비처리를 적용한 RS의 성능는 어떻게 변화하며, 사용자 위치와 경로 손실에 따라 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 CI 예비처리를 적용한 RS와 NoRS 간의 합률 포화 지점은 다를까? 그리고 변조 순서(예: QPSK 대 8PSK)가 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• QPSK 신호 전송 조건에서 고신호대역비(SNR) 영역에서 ZF 예비처리 및 전통적인 선형 예비처리(NoRS) 대비 CI 예비처리를 적용한 RS는 최대 10 dB의 SNR 이득을 확보한다.
• 모든 SNR 범위에서 CI 예비처리를 적용한 RS의 합률이 ZF 예비처리를 적용한 RS 및 NoRS를 모두 초월하며, 사용자 채널 조건이 균형을 이루는 저신호대역비(SNR) 영역에서 가장 높은 성능 향상을 보인다.
• QPSK 신호 전송 조건에서 합률은 6 비트/s/Hz에서 포화되며, 이 한계는 NoRS를 사용한 8PSK에서도 달성되지만, CI 예비처리를 적용한 RS는 포화 이르기까지 훨씬 높은 속도를 달성한다.
• 저신호대역비(SNR) 영역에서는 공통 메시지에 대한 최적 전력 비율 $ t $ 가 1에 가까워지며, 이는 RS가 NoRS로 수렴함을 의미한다. 반면 고신호대역비(SNR) 영역에서는 $ t < 1 $ 가 최적임을 보여주며, 공통 메시지 전송의 유용성을 입증한다.
• 기지국 안테나 수 $ N $ 가 사용자 수 $ K $ 와 훨씬 클 경우 ZF 예비처리는 CI 예비처리의 성능에 수렴함을 확인하여, ZF가 CI의 특수한 경우임을 증명한다.
• 불완전한 CSIT 조건에서는 성능 저하가 발생하지만, 모든 시나리오에서(랜덤 사용자 분포 및 증가한 경로 손실 포함) CI 예비처리를 적용한 RS는 ZF 및 NoRS를 여전히 압도적으로 앞선다.