[論文レビュー] Rate-Splitting for Multi-Antenna Non-Orthogonal Unicast and Multicast Transmission: Spectral and Energy Efficiency Analysis

Yijie Mao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 44被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、複数アンテナを備えた非直交ユニキャストおよびマルチキャスト（NOUM）伝送のための1層および一般化されたレートスプリット（RS）戦略を提案する。既存の逐次干渉キャンセレーション（SIC）受信機を活用し、マルチキャストと干渉を同時に処理する。提案されたRS方式は、さまざまなチャネル状態とネットワーク負荷下で、MU-LP、OMA、NOMAを上回るスペクトル効率およびエネルギー効率を達成し、1層RSでは低コストでほぼ最適性能を実現する。

ABSTRACT

In a Non-Orthogonal Unicast and Multicast (NOUM) transmission system, a multicast stream intended to all the receivers is superimposed in the power domain on the unicast streams. One layer of Successive Interference Cancellation (SIC) is required at each receiver to remove the multicast stream before decoding its intended unicast stream. In this paper, we first show that a linearly-precoded 1-layer Rate-Splitting (RS) strategy at the transmitter can efficiently exploit this existing SIC receiver architecture. We further propose multi-layer transmission strategies based on the generalized RS and power-domain Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA). Two different objectives are studied for the design of the precoders, namely, maximizing the Weighted Sum Rate (WSR) of the unicast messages and maximizing the system Energy Efficiency (EE), both subject to Quality of Service (QoS) rate requirements of all the messages and a sum power constraint. A Weighted Minimum Mean Square Error (WMMSE)-based algorithm and a Successive Convex Approximation (SCA)-based algorithm are proposed to solve the WSR and EE problems, respectively. Numerical results show that the proposed RS-assisted NOUM transmission strategies are more spectrally and energy efficient than the conventional Multi-User Linear-Precoding (MU-LP), Orthogonal Multiple Access (OMA) and power-domain NOMA in a wide range of user deployments (with a diversity of channel directions, channel strengths and qualities of channel state information at the transmitter) and network loads (underloaded and overloaded regimes). It is superior for the downlink multi-antenna NOUM transmission.

研究の動機と目的

• 従来のマルチユーザー線形プレフィンギング（MU-LP）がチャネル直交性に敏感で、不完全なCSITに弱いという限界を解消する。
• NOUM受信機に既存のSICアーキテクチャを活用し、ユニキャストとマルチキャストの分離に加え、ユニキャストストリーム間のマルチユーザー干渉を管理する。
• QoS制約および合計送信電力制約の下で、重み付き和データレート（WSR）またはエネルギー効率（EE）を最大化する低複雑度プレフィンガーを設計する。
• さまざまなユーザー配置、チャネル状態、ネットワーク負荷（不足負荷および過負荷）下で、RSに基づくNOUM戦略のロバスト性と優位性を示す。

提案手法

• ユニキャストメッセージを共通部とプライベート部に分割し、共通部をマルチキャストストリームと統合して全ユーザーが復元可能なスーパーゲームストリームとして符号化する1層RS戦略を提案する。
• 干渉の部分的復元と部分的ノイズ処理を可能にする一般化された多層RSフレームワークを導入し、スペクトル効率を向上させる。
• 合計送信電力およびQoS制約下でのWSR最大化問題を解くために、重み付き最小平均二乗誤差（WMMSE）に基づくアルゴリズムを開発する。
• 同様の制約下でのEE最大化問題を解くために、逐次凸近似（SCA）に基づくアルゴリズムを設計する。
• 受信機に既存のSIC機能を活用し、ユニキャストとマルチキャストストリームの分離およびユニキャストストリーム間の干渉管理の二重機能を実現する。
• スペクトル効率およびエネルギー効率の観点から、提案されたRS戦略をMU-LP、OMA、およびNOMAベースの戦略（SC-SICおよびグループ別SC-SIC）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レートスプリット（RS）は、複数アンテナを備えた非直交ユニキャストおよびマルチキャスト（NOUM）伝送に効果的に適用可能であり、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させることができるか？
• RQ2 提案された1層RS戦略は、既存のSIC受信機アーキテクチャをどのように活用し、マルチキャスト-ユニキャスト分離とユニキャスト間干渉管理の両方を実現するか？
• RQ3 さまざまなチャネル状態およびネットワーク負荷下で、一般化RSは従来のMU-LP、OMA、NOMAに比べ、WSRおよびEEの観点でどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ4 特に受信機の複雑度と計算負荷の観点から、提案されたRSベース戦略はSC-SICおよびグループ別SC-SIC戦略と比較して、複雑度と性能の両面で優れているか？
• RQ5 不完全な送信機におけるチャネル状態情報（CSIT）および多様なユーザー配置下でも、提案されたRSフレームワークはどの程度のロバスト性と性能向上を維持するか？

主な発見

• 一般化RS支援NOUM戦略は、すべてのテストされたユーザー配置（不足負荷および過負荷状態を含む）でMU-LP、OMA、NOMAを上回り、スペクトル効率およびエネルギー効率の両面で顕著な向上を達成する。
• 1層RS戦略は、一般化RSのほぼ最適性能を著しく低い計算複雑度で達成し、すべてのシミュレーション環境でMU-LPをWSRおよびEEの両面で上回る。
• 動的電力（P_dyn）が存在する状況では、1層RSはWMMSEアルゴリズムで1イテレーションで収束するが、SC-SICベースの戦略は復元順序ごとに繰り返し最適化が必要となり、送信機の複雑度が増加する。
• RSのエネルギー効率（EE）領域はOMAに比べ顕著に優れており、OMAはコーナー点間の線分に限定されるが、RSは広範かつ高い効率トレードオフ領域を達成する。
• 1層RSは、特にユーザーチャネルが直交でない場合、SC-SICおよびグループ別SC-SICよりも優れたEE性能を達成し、チャネル差に強いロバストネスを示す。
• 提案された1層RSは、MU-LPと同等の受信機複雑度を維持しながら、優れた性能を提供するため、将来の5G/6Gネットワークにおける実用的で効率的なソリューションである。