[论文解读] Rate-Splitting Multiple Access for Enhanced URLLC and eMBB in 6G

Onur Dizdar, Yijie Mao+3 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 25被引用 5

一句话总结

本文提出速率分割多址（RSMA）作为一种稳健的6G网络多址方案，在信道状态信息在发射端（CSIT）不完善的情况下，能够增强超可靠低时延通信（URLLC）和增强型移动宽带（eMBB）性能。通过将用户消息拆分为公共流和私有流，并采用针对过时信道状态信息优化的功率分配，RSMA在用户移动性和低时延约束下，显著提升了频谱效率和可靠性，优于SDMA和NOMA。

ABSTRACT

Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) is a flexible and robust multiple access scheme for downlink multi-antenna wireless networks. RSMA relies on Rate-Splitting (RS) at the transmitter and Successive Interference Cancellation (SIC) at the receivers. In this work, we study the performance of RSMA in the scenarios related with the important core services of New Radio (NR) and 6G, namely, enhanced Ultra-Reliable and Low-Latency (URLLC) and enhanced Mobile Broadband Communications (eMBB). We present the optimal system designs employing RSMA that target short-packet and low-latency communications as well as robust communications with high-throughput under the practical and important setup of imperfect Channel State Information at Transmitter (CSIT) originating from user mobility and feedback latency in the network. We demonstrate via numerical results that RSMA achieves significantly higher performance than Space Division Multiple Access (SDMA) and Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA), and is capable of addressing the requirements for enhanced URLLC and eMBB in 6G efficiently.

研究动机与目标

• 解决由于用户移动性和网络时延导致的信道状态信息在发射端（CSIT）不完善时，现有多址方案（如SDMA和NOMA）性能下降的问题。
• 设计一种针对RSMA的最优功率分配策略，以在多天线下行链路系统中，于实际存在的CSIT不完善条件下，最大化和速率与吞吐量。
• 在采用真实3GPP信道模型的短包、低时延URLLC和高吞吐量eMBB场景下，评估RSMA的鲁棒性与频谱效率。
• 证明在用户移动性和过时CSI条件下，RSMA在和速率与吞吐量方面优于SDMA与NOMA，尤其在高信噪比（SNR）和用户速度增加时表现更优。

提出的方法

• 在具有 $ n_t $ 个发射天线和 $ K $ 个单天线用户的MISO广播信道中采用单层速率分割多址（RSMA），将每个用户的信号拆分为公共部分和私有部分。
• 利用可用的（不完善的）CSIT对公共流和私有流进行预编码，接收端通过逐次干扰消除（SIC）首先解码公共流。
• 推导出一个闭式功率分配系数 $ t_{\text{opt}} $，以最大化和速率的下界，从而在CSIT不确定性条件下实现高效且鲁棒的传输。
• 采用循环前缀正交频 division multiplexing（CP-OFDM）波形，子载波间隔为30 kHz，共256个子载波，模拟真实的3.5 GHz频段。
• 使用Quadriga信道生成器建模3GPP城市宏蜂窝信道，包含23个簇和每簇20条路径，具有300 ns延迟扩展和10 ms CSI获取延迟。
• 通过块对角化（BD）方法将模型扩展至多天线接收端（$ n_r = 4 $），对私有流预编码，并在各流之间均分功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在用户移动性和过时CSI条件下，RSMA与SDMA和NOMA相比，在和速率与吞吐量方面表现如何？
• RQ2 所提出的闭式功率分配系数 $ t_{\text{opt}} $ 是否能在实际CSIT条件下实现接近最优的性能，而无需进行全搜索？
• RQ3 多天线接收端对RSMA性能有何影响？所提出的功率分配策略在该配置下是否依然有效？
• RQ4 与SDMA相比，RSMA在用户速度增加时如何保持鲁棒性，并避免在高SNR下性能饱和？
• RQ5 在真实传播环境中，RSMA在多大程度上能够满足6G URLLC和eMBB服务对严格可靠性与低时延的要求？

主要发现

• 当使用推导出的闭式功率分配系数 $ t_{\text{opt}} $ 时，RSMA的和速率与吞吐量性能接近全搜索最优解，所有用户速度与SNR水平下性能差距均小于1%。
• 在用户速度持续增加（最高达100 km/h）时，RSMA保持非饱和性能，而SDMA的和速率与吞吐量显著下降，并在高SNR下最终趋于饱和。
• 在平均接收SNR为25 dB和35 dB时，RSMA在所有用户速度下均保持鲁棒性能，表现出对CSIT老化和移动性引起的信道误差的强抗性。
• 在多天线接收端（$ n_r = 4 $）条件下，RSMA仍优于SDMA，但所提出的功率分配表现出非单调行为，原因在于多天线场景下的次优性。
• 在单天线与多天线接收端场景下，RSMA相较SDMA均获得显著吞吐量增益，尤其在高移动性和高SNR条件下，证实其在6G应用场景中的优越性。
• 数值结果表明，RSMA是6G URLLC与eMBB的有力候选方案，能有效管理干扰，并在不完善CSIT与短包传输约束下保持可靠性。