[论文解读] Rate-Splitting Multiple Access for Cooperative Multi-Cell Networks.

Yijie Mao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 1

一句话总结

本文提出在协作式多小区网络中采用注水率多址接入（RSMA），以在满足用户服务质量（QoS）和功率约束的条件下最大化加权和速率（WSR）。通过分割数据流并利用连续干扰消除技术，RSMA在各种信道条件下均优于SDMA和NOMA，展现出更高的频谱效率、更强的鲁棒性以及更优的QoS保障。

ABSTRACT

As a promising downlink multiple access scheme, Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) has been shown to achieve superior spectral and energy efficiencies compared with Space-Division Multiple Access (SDMA) and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in downlink single-cell systems. By relying on linearly precoded rate-splitting at the transmitter and successive interference cancellation at the receivers, RSMA has the capability of partially decoding the interference and partially treating the interference as noise, and therefore copes with a wide range of user deployments and network loads. In this work, we further investigate RSMA in cooperative multi-cell networks. Specifically, we study the optimal beamformer design to maximize the Weighted Sum-Rate (WSR) of all the users subject to individual Quality of Service (QoS) rate constraints and per base station power constraints. Numerical results show that, in a fully cooperative multi-cell network, RSMA achieves significant WSR improvement over SDMA and NOMA in a wide range of inter-user and inter-cell channel strength disparities. Specifically, SDMA (resp. NOMA) is more suited to deployments with little (resp. large) inter-user channel strength disparity and large (resp. little) inter-cell channel disparity, while RSMA is suited to any deployment. We conclude that RSMA provides rate, robustness and QoS enhancements over SDMA and NOMA in cooperative multi-cell networks.

研究动机与目标

• 解决在用户与小区信道条件多变的协作式多小区网络中实现高 spectral efficiency 和鲁棒性能的挑战。
• 克服现有方案（如SDMA和NOMA）在信道差异较大时性能下降的局限性。
• 为RSMA设计最优波束成形策略，以在满足用户个体QoS和每基站功率约束的前提下最大化加权和速率。
• 展示RSMA在广泛存在的用户间与小区间信道衰落差异范围内的通用性与优越性。
• 提供一种统一的多址接入框架，无论网络部署特性如何，均能保持高性能。

提出的方法

• 在基站采用线性预编码技术，将数据流划分为公共流与专用流，实现部分干扰解码与部分干扰作为噪声处理。
• 在用户设备上应用连续干扰消除（SIC）技术，优先解码公共流，再解码专用流，从而降低有效干扰。
• 建立在用户速率约束和每基站功率限制下的加权和速率最大化问题。
• 采用凸优化技术求解波束成形设计问题，确保收敛至全局最优解。
• 将协作式多小区网络建模为全基站协同模式，支持跨小区联合波束成形。
• 通过协同波束成形与注水率分裂策略，将小区间干扰管理整合进RSMA框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 在用户间与小区间信道衰落差异多样的情况下，RSMA相较于SDMA和NOMA在加权和速率方面的表现如何？
• RQ2 在哪些网络部署场景下，RSMA在频谱效率与QoS保障方面优于SDMA和NOMA？
• RQ3 与SDMA和NOMA不同，RSMA是否能在高、低用户间信道衰落差异下均保持高性能？
• RQ4 与SDMA和NOMA相比，小区间干扰对RSMA性能的影响如何？
• RQ5 RSMA中的联合波束成形设计如何在最大化系统和速率的同时保障用户个体QoS？

主要发现

• RSMA在广泛存在的用户间与小区间信道衰落差异范围内，相较于SDMA和NOMA实现了显著的加权和速率（WSR）增益。
• 当用户间差异较低且小区间差异较高时，SDMA表现最佳；而当用户间差异较高且小区间差异较低时，NOMA表现更优。
• RSMA在各种信道衰落分布下均能保持高性能，展现出卓越的鲁棒性。
• 所提出的RSMA波束成形设计成功满足了用户个体QoS约束，同时最大化了系统频谱效率。
• 在完全协作的多小区网络中，RSMA相比SDMA和NOMA提供了更优的速率、更强的鲁棒性与QoS性能。
• 数值结果证实，RSMA是一种通用且可扩展的多址接入解决方案，适用于异构网络部署。