[论文解读] Multi-User Rate Splitting in Optical Wireless Networks

Ahmad Adnan Qidan, Khulood D. Alazwary+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2022

Optical Network Technologies被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种用于多用户可见光通信网络的有限CSI-RS方案，结合用户分组、基于盲干扰对齐的外预编码以及优化的功率分配，以管理组间与组内干扰。与RS和BIA基准相比，该方案在用户数量增加时，实现了更高的频谱效率、更低的误码率（BER）以及更高的能量效率。

ABSTRACT

Optical wireless communication (OWC) has recently received massive interest as a new technology that can support the enormous data traffic increasing on daily basis. Laser-based OWC networks can provide terabits per second (Tbps) aggregate data rates. However, the emerging OWC networks require clusters of optical transmitters to provide uniform coverage for multiple users. In this context, multi-user interference (MUI) is a crucial issue that must be managed efficiently to provide high spectral efficiency. Rate splitting (RS) is proposed as a transmission scheme to serve multiple users simultaneously by splitting the message of a given user into common and private messages, and then, each user decodes the desired message following a certain procedure. In radio frequency (RF) networks, RS provides higher spectral efficiency compared with orthogonal and non-orthogonal transmission schemes. Considering the high density of OWC networks, the performance of RS is limited by the cost of providing channel state information (CSI) at transmitters and by the noise resulting from interference cancellation. In this work, a user-grouping algorithm is proposed and used to form multiple groups, each group contains users spatially clustered. Then, an outer precoder is designed to manage inter-group interference following the methodology of blind interference alignment (BIA), which reduces the requirements of CSI at RF or optical transmitters. For intra-group interference, RS is applied within each group where the users belonging to a given group receive a unique common message on which their private messages are superimposed. Furthermore, an optimization problem is formulated to allocate the power among the private messages intended to all users such that the sum rate of the network is maximized.

研究动机与目标

• 解决在发射端仅具备有限信道状态信息（CSI）的高密度可见光通信（OWC）网络中的多用户干扰（MUI）问题。
• 通过启用基于速率分割（RS）的并发多用户传输，提升可见光通信（OWC）的频谱效率与用户公平性。
• 通过结合用户分组与盲干扰对齐（BIA）的混合方法，降低CSI反馈开销与干扰消除噪声。
• 通过组内私有信息的优化功率分配，最大化网络和速率。
• 通过根据用户信道质量与组结构动态分配功率，提升能量效率。

提出的方法

• 基于空间聚类对用户进行分组，以最小化组内干扰并简化干扰管理。
• 利用盲干扰对齐（BIA）设计外预编码器，仅依赖信道相干时间与用户分布，在最小CSI条件下抑制组间干扰。
• 在每组内应用速率分割：用户先解码公共消息，再解码私有消息，实现干扰对齐与逐次干扰消除。
• 建立功率分配优化问题以最大化和速率，采用多种乘子法求解次优解，以降低计算复杂度。
• 系统采用多级N-PAM调制进行信号传输，确保线性特性，并在不同信噪比（SNR）下实现误码率（BER）评估。
• 所提出的有限CSI-RS方案整合了用户分组、基于BIA的预编码与动态功率分配，实现性能与复杂度的平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在发射端仅具备有限CSI的高密度OWC网络中，如何有效管理多用户干扰？
• RQ2 用户分组对OWC系统中速率分割性能有何影响？
• RQ3 能否有效结合盲干扰对齐（BIA）与速率分割，以降低CSI需求，同时保持高谱效率？
• RQ4 组内私有消息的优化功率分配如何影响多用户OWC网络的和速率与能量效率？
• RQ5 与传统RS和BIA方案相比，所提出的有限CSI-RS方案在和速率、误码率（BER）与能量效率方面实现了哪些性能增益？

主要发现

• 有限CSI-RS方案的和速率随用户数增加而提升（最高达40个用户），在所有场景下均优于RS与BIA方案。
• 在14 dB SNR下，有限CSI-RS方案的误码率（BER）低于10^-3，而RS与BIA方案的BER分别高于10^-3与10^-2。
• 所提方案通过减少干扰消除带来的噪声，相比传统RS与BIA方案，实现了更低的BER与更高的可靠性。
• 随着用户数从20增至40，有限CSI-RS方案的能量效率持续高于传统RS方案，归因于高效的功率分配与组间干扰抑制。
• 动态功率分配算法相比固定功率分配，显著提升了和速率与能量效率，尤其在高用户密度场景下表现更优。
• 用户分组与基于BIA的外预编码的集成显著降低了CSI反馈需求，同时保持了高谱效率。