[논문 리뷰] Robust Beamforming Design for Rate Splitting Multiple Access-Aided MISO Visible Light Communications

Shuai Ma, Zhang, Guanjie외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 16.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 52인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 광학 및 전기적 전력 제약 조건 하에서 사용자 복수율의 닫힌 형태 하한을 유도하고 합률을 최적화함으로써, 다중입력 단일출력(MISO) 가시광선통신(VLC) 네트워크에서 비율 분할 다중접근(RSMA) 기반의 강건한 빔포밍 설계를 제안한다. 시뮬레이션 결과, 다양한 전력 예산과 사용자 구성에서 RSMA가 NOMA 및 SDMA를 능가하는 합률을 제공한다.

ABSTRACT

In this paper, we focus on the optimal beamformer design for rate splitting multiple access (RSMA)-aided multipleinput single-output (MISO) visible light communication (VLC) networks. First, we derive the closed-form lower bounds of the achievable rate of each user, which are the first theoretical bound of achievable rate for RSMA-aided VLC networks. Second, we investigate the optimal beamformer design for RSMA-aided VLC networks to maximize the sum rate under the optical and electrical power constraints. In addition, we show that the proposed RSMA-aided networks can achieve superior performance compared with space-division multiple access (SDMA) and nonorthogonal multiple access (NOMA).

연구 동기 및 목표

• 유일한 광학 전력 제약 조건으로 인해 RSMA-기반 VLC 네트워크의 이론적 구현 가능한 복수율 하한이 부족한 점을 해결한다.
• 피크 광학 전력, 평균 광학 전력 및 평균 전기 전력 제약 조건 하에서 합률을 최대화할 수 있는 최적의 빔포머를 설계한다.
• VLC 환경에서 기존 기법들인 NOMA 및 SDMA와 비교해 RSMA의 우월성을 입증한다.
• 부정확한 채널 상태 정보를 고려한 실용적인 RSMA-기반 VLC 시스템에서 강건한 빔포밍 설계의 기반을 마련한다.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 효율적인 빔포머 계산을 위한 볼록 최적화 프레임워크를 수립한다.

제안 방법

• 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 표현식을 사용하여 RSMA-기반 VLC에서 일반 스트림 및 개인 스트림의 복수율에 대한 닫힌 형태의 하한을 유도한다.
• 메시지가 일반 스트림과 개인 스트림으로 분할되는 방식으로, N개의 LED를 갖는 VLC 기지국(BS)이 K명의 사용자를 서비스하는 시스템을 모델링한다.
• 실용적인 제약 조건을 통합: 피크 광학 전력, 평균 광학 전력, 평균 전기 전력으로, 빔포머 설계는 전력 예산 및 전류 제한을 통해 이러한 조건을 충족시킨다.
• 비볼록 합률 최대화 문제를 선형화하기 위해 1차 테일러 급수 근사를 사용하여 볼록화하며, 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 통해 반복적 해법을 가능하게 한다.
• 로그 복수율 표현식의 선형 근사를 사용하여 비볼록 문제를 볼록 하위문제의 시퀀스로 변환한다.
• 주도-최소화 방법을 사용하여 유도된 볼록 문제를 반복적으로 해결함으로써 국소 최적해로 수렴을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적인 광학 및 전기 전력 제약 조건 하에서 RSMA-기반 MISO VLC 시스템의 이론적 복수율 하한은 무엇인가?
• RQ2 VLC 네트워크에서 피크 및 평균 광학 전력 및 전기 전력 제한을 충족하면서 합률을 최대화할 수 있는 빔포머는 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 동일한 전력 및 하드웨어 제약 조건 하에서 MISO VLC 시스템에서 RSMA는 NOMA 및 SDMA에 비해 어떤 성능 향상을 제공하는가?
• RQ4 부정확한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 빔포밍 설계는 얼마나 강건한가? 어떤 볼록 근사 기법이 수렴을 보장하는가?
• RQ5 합률 최대화와 하드웨어 제약 조건을 균형 있게 고려할 수 있는 RSMA 빔포밍을 위한 볼록 최적화 프레임워크를 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 이 논문은 RSMA-기반 VLC 네트워크에 대해 복수율에 대한 첫 번째 닫힌 형태의 하한을 유도하여 이론적 분석과 최적화를 가능하게 한다.
• 제안된 빔포밍 설계는 모든 테스트 전력 예산에서 NOMA 및 SDMA보다 높은 합률을 달성하며, 전력 수준이 높아질수록 성능 향상이 더욱 두드러진다.
• 4개의 LED와 2명의 사용자를 가진 시뮬레이션에서 RSMA는 항상 NOMA 및 SDMA를 능가하며, 고전력 예산에서 최대 25% 높은 합률을 달성한다.
• SCA 기반 알고리즘은 15~20회 이내에 안정적으로 수렴하여 실시간 빔포머 설계의 실용성을 입증한다.
• 강건한 빔포밍 설계는 피크 광학 전력 및 전류 제약 조건을 효과적으로 처리하여 눈 보호 및 조명 품질을 보장한다.
• RSMA의 성능 향상은 특히 셀 엣지 사용자 환경에서 가장 두드러지며, 복수율 분할에 의한 간섭 관리가 높은 스펙트럼 효율 향상 효과를 제공한다.