[논문 리뷰] Sum-Rate Maximization of Uplink Rate Splitting Multiple Access (RSMA) Communication

Zhaohui Yang, Mingzhe Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 10.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 25인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 사용자 전력 할당과 기지국 디코딩 순서를 공동으로 최적화하여 업링크 통합 다중접속(RSMA)의 합속도 최대화 프레임워크를 제안한다. 비볼록 문제를 단지 속도 분할 변수에 대한 최적화로 변환함으로써, 저자들은 최적의 속도 분할과 전력 할당에 대한 폐형 해를 유도하고, 전수 탐색을 통해 최적의 디코딩 순서를 결정한다. 시뮬레이션 결과 RSMA는 TDMA 대비 최대 83.7%의 합속도 향상, FDMA 대비 22.2%, NOMA 대비 10.0%의 성능 향상을 보였다.

ABSTRACT

In this paper, the problem of maximizing the wireless users' sum-rate for uplink rate splitting multiple access (RSMA) communications is studied. In the considered model, each user transmits a superposition of two messages to a base station (BS) with separate transmit power and the BS uses a successive decoding technique to decode the received messages. To maximize each user's transmission rate, the users must adjust their transmit power and the BS must determine the decoding order of the messages transmitted from the users to the BS. This problem is formulated as a sum-rate maximization problem with proportional rate constraints by adjusting the users' transmit power and the BS's decoding order. However, since the decoding order variable in the optimization problem is discrete, the original maximization problem with transmit power and decoding order variables can be transformed into a problem with only the rate splitting variable. Then, the optimal rate splitting of each user is determined. Given the optimal rate splitting of each user and a decoding order, the optimal transmit power of each user is calculated. Next, the optimal decoding order is determined by an exhaustive search method. To further reduce the complexity of the optimization algorithm used for sum-rate maximization in RSMA, a user pairing based algorithm is introduced, which enables two users to use RSMA in each pair and also enables the users in different pairs to be allocated with orthogonal frequency. For comparisons, the optimal sum-rate maximizing solutions with proportional rate constraints are obtained in closed form for non-orthogonal multiple access (NOMA), frequency division multiple access (FDMA), and time division multiple access (TDMA). Simulation results show that RSMA can achieve up to 10.0\%, 22.2\%, and 83.7\% gains in terms of sum-rate compared to NOMA, FDMA, and TDMA.

연구 동기 및 목표

• 업링크 RSMA에서 전력 할당과 디코딩 순서의 공동 최적화가 부족한 문제를 해결함으로써 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성 향상에 기여하고자 한다.
• 비례 속도 제약 조건 하에 합속도 최대화 문제를 수립하며, 이는 이산적 디코딩 순서와 연속적 전력 변수를 포함한다.
• 원래의 비볼록, 혼합정수 문제를 단지 속도 분할 변수만을 포함하는 등가 문제로 변환하여 폐형 해를 도출할 수 있도록 한다.
• 주어진 디코딩 순서 하에서 각 사용자에 대한 최적의 속도 분할 및 전송 전력 할당을 유도하고, 전수 탐색을 통해 전역적으로 최적의 디코딩 순서를 결정한다.
• 계산 복잡도를 줄이면서도 높은 합속도 성능를 유지할 수 있도록 사용자 쌍화 기반 알고리즘을 제안한다.

제안 방법

• 사용자 전송 전력과 기지국 디코딩 순서를 최적화 변수로 포함하는 업링크 RSMA 합속도 최대화 문제를 수립한다.
• 해석적 유도를 통해 전력 및 디코딩 순서 변수를 제거함으로써 원래 문제를 단지 속도 분할 변수만을 포함하는 등가 문제로 변환한다.
• 카루시-쿤-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건과 전력 제약 조건을 사용하여 각 사용자에 대한 최적의 속도 분할 인자를 폐형으로 도출한다.
• 고정된 디코딩 순서 하에서 유도된 속도 분할 인자와 신호대간섭노이즈비(SINR) 표현식을 이용해 최적의 전송 전력 할당을 계산한다.
• 모든 가능한 사용자 메시지 디코딩 순서의 순열에 대해 전수 탐색을 수행하여 전역적으로 최적의 디코딩 순서를 결정한다.
• 쌍화된 사용자 간에 RSMA를 허용하고 쌍 간에 주파수 할당을 정규화함으로써 복잡도를 감소시키기 위한 사용자 쌍화 기반 알고리즘을 도입한다.

Figure 1: An illustration of the bisection method.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전송 전력과 디코딩 순서를 모두 최적화할 때 비례 속도 제약 조건 하에서 업링크 RSMA의 합속도를 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 전력 및 디코딩 순서 제약 조건 하에서 합속도를 최대화하기 위한 각 사용자에 대한 최적의 속도 분할 전략은 무엇인가?
• RQ3 디코딩 순서의 선택이 업링크 RSMA에서 달성 가능한 합속도에 미치는 영향은 무엇이며, 전역적으로 최적의 순서는 무엇인가?
• RQ4 합속도 측면에서 전통적인 다중접속 방식(NOMA, FDMA, TDMA)에 비해 RSMA는 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ5 사용자 쌍화 기반 알고리즘은 감소된 계산 복잡도로 근사 최적의 합속도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 RSMA 프레임워크는 동일한 전력 및 속도 제약 조건 하에서 비정규 다중접속(NOMA) 대비 최대 10.0% 높은 합속도를 달성한다.
• RSMA는 주파수 분할 다중접속(FDMA) 대비 최대 22.2%의 합속도 향상을 보이며, 뛰어난 스펙트럼 효율성을 입증한다.
• RSMA는 시간 분할 다중접속(TDMA) 대비 최대 83.7%의 합속도 향상을 기록하며, 대량의 연결과 고스펙트럼 효율성 지원 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 각 사용자에 대한 최적의 속도 분할 인자는 폐형으로 도출되어, 주어진 디코딩 순서 하에서 전력 할당을 효율적으로 계산할 수 있도록 한다.
• 전수 탐색 기반의 디코딩 순서 선택은 전역 합속도 최적을 달성하며, 사용자 쌍화 알고리즘은 복잡도를 크게 감소시키면서도 높은 성능를 유지한다.
• 기준 방식(NOMA, FDMA, TDMA)에 대한 폐형 최적 해를 도출하여 RSMA의 우월성을 직접 비교하고 검증할 수 있다.

Figure 2: An example of rate region for RSMA, NOMA, FDMA and TDMA with $K=2$ users, $h_{1}=9.45\times 10^{-9}$ , $h_{2}=6.17\times 10^{-9}$ , $P_{1}=P_{2}=1$ dBm, $\sigma^{2}$ = -174 dBm/Hz, and $B=1$ MHz.