[論文レビュー] Optimization of Rate Allocation and Power Control for Rate Splitting Multiple Access (RSMA)

Zhaohui Yang, Mingzhe Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 25被引用数 21

ひとこと要約

本稿は、単一入力単一出力（SISO）無線ネットワークにおけるダウンリンクレートスプリット多重アクセス（RSMA）の最適レート割り当ておよびパワー制御方式を提案する。共通メッセージのレート割り当てと共通およびプライベートストリームの送信パワーを共同最適化することにより、逐次干渉キャンセレーション（SIC）制約下で和レートを最大化し、NOMAおよびOFDMAと比較してそれぞれ最大15.6%および21.5%のスペクトル効率向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, the sum-rate maximization problem is studied for wireless networks that use downlink rate splitting multiple access (RSMA). In the considered model, each base station (BS) divides the messages that must be transmitted to its users into a `private' part and a `common' part. Here, the common message is a message that all users want to receive and the private message is a message that is dedicated to only a specific user. The RSMA mechanism enables a BS to adjust the split of common and private messages so as to control the interference by decoding and treating interference as noise and, thus optimizing the data rate of users. To maximize the users' sum-rate, the network can determine the rate allocation for the common message to meet the rate demand, and adjust the transmit power for the private message to reduce the interference. This problem is formulated as an optimization problem whose goal is to maximize the sum-rate of all users. To solve this nonconvex maximization problem, the optimal power used for transmitting the private message to the users is first obtained in closed form for a given rate allocation and common message power. Based on the optimal private message transmission power, the optimal rate allocation is then derived under a fixed common message transmission power. Subsequently, a one-dimensional search algorithm is proposed to obtain the optimal solution of common message transmission power. Simulation results show that the RSMA can achieve up to 15.6\% and 21.5\% gains in terms of data rate compared to non-orthogonal multiple access (NOMA) and orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA), respectively.

研究の動機と目的

• SISOシステムにおけるRSMAのためのレート割り当てとパワー制御の共同最適解の欠如に対処すること。
• 共通メッセージとプライベートメッセージの分割を最適化することでネットワークの和レートを最大化すること。
• 共通メッセージの信頼性ある復調を保証するため、逐次干渉キャンセレーション（SIC）制約を組み込むこと。
• 固定された共通メッセージパワー下でのプライベートメッセージパワーと最適レート割り当ての閉形式解を導出すること。
• 共通メッセージパワーの最適値を求めるための一様次元探索アルゴリズムの開発

提案手法

• SIC制約とパワー予算制約を満たす非凸最適化問題として和レート最大化を定式化する。
• 与えられた共通メッセージパワーとレート割り当てに対して、最適プライベートメッセージパワーの閉形式解を導出する。
• 得られた最適プライベートパワーを用いて、固定された共通パワー下での最適共通メッセージレート割り当てを導出する。
• 共通メッセージパワーの一次元探索を実行し、グローバル最適解を特定する。
• ユーザーのチャネル利得とレート要件に基づいて3つのケースに分類し、最適レート割り当てを決定する。
• 共通メッセージの信頼性ある復調と干渉管理を確保するため、SIC制約を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SISOダウンリンクシステムにおけるRSMAのためのレート割り当てとパワー制御をどのように共同最適化することで和レートを最大化できるか？
• RQ2 共通メッセージパワーとレート割り当てが固定された場合、プライベートメッセージの最適パワー割り当ては何か？
• RQ3 SIC制約下で和レートを最大化するために、共通メッセージレートをユーザー間でどのように割り当てればよいか？
• RQ4 全体の和レートを最大化するための最適共通メッセージ送信パワーは何か？
• RQ5 提案手法は、スペクトル効率においてNOMAおよびOFDMAをどのように上回るか？

主な発見

• 提案手法は、非直交多重アクセス（NOMA）と比較して最大15.6%高い和レートを達成する。
• 提案手法は、直交周波数分割多重アクセス（OFDMA）と比較して最大21.5%高い和レートを達成する。
• 任意の固定共通メッセージパワーとレート割り当てに対して、最適プライベートメッセージパワーの閉形式解が導出された。
• ユーザーのチャネル利得とレート要件に基づき、チャネル状態に応じた3ケース分析を用いて共通メッセージの最適レート割り当てが決定された。
• 一次元探索アルゴリズムにより、共通メッセージパワーのグローバル最適解に効率的に収束する。
• 解はSIC制約を満たしており、共通メッセージの信頼性ある復調を実現するとともに、干渉を最小限に抑える。