[논문 리뷰] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-Antenna Broadcast Channel with Imperfect CSIT and CSIR

Jihye An, Onur Dizdar외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 송신기(채널 상태 정보, CSIT)와 수신기(채널 상태 정보, CSIR)에서 모두 불완전한 채널 상태 정보가 존재하는 다중 사용자 MISO 방송 채널에서 강건한 비율 분할 다중접근(RSMA) 방식을 제안한다. 준정적 프리코딩 벡터와 전력 할당을 동시에 최적화하기 위해 준정적 프로그래밍(SDR)과 볼록-비볼록 절차(CCCP)를 활용함으로써, 채널 추정 오차가 존재하는 상황에서도 합성 비트 전송률을 최대화하는 데 성공하였으며, 모든 신호 대 잡음비(SNR) 및 오차 분산 수준에서 ZF 및 MRT 기반 RSMA보다 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Rate-splitting multiple access (RSMA) has appeared as a powerful transmission and multiple access strategy for multi-user multi-antenna communications. Uniquely, this paper studies the optimization of the sum-rate of RSMA with imperfect channel state information (CSI) at the transmitter (CSIT) and the receivers (CSIR). The robustness of the RSMA approach against imperfect CSIT has been investigated in the previous studies while there has been no consideration for the effects of imperfect CSIR. This motivates us to develop a robust design relying on RSMA in the presence of both imperfect CSIT and CSIR. Since the optimization problem for the design of RSMA precoder and power allocations to maximize the sum-rate is non-convex, it is hard to solve directly. To tackle the non-convexity, we propose a novel alternating optimization algorithm based on semidefinite relaxation (SDR) and concave-convex procedure (CCCP) techniques. By comparing simulation results with conventional methods, it turns out that RSMA is quite robust to imperfect CSIR and CSIT, thereby improving the sum-rate performance.

연구 동기 및 목표

• 실제 시스템에서 흔한 불완전한 CSIT 및 CSIR 하에서 강건한 RSMA 설계의 부족을 해결하고자 한다.
• 채널 불확실성이 존재하는 다중 사용자 MISO 방송 채널에서 RSMA의 비볼록 합성 비트 전송률 최대화 문제를 수립하고자 한다.
• 불완전한 채널 상태 정보 하에서도 합성 비트 전송률을 향상시키기 위해 프리코딩 벡터와 전력 할당을 공동 최적화하는 프레임워크를 개발하고자 한다.
• 다양한 채널 오차 및 SNR 조건 하에서 제안된 RSMA가 기존의 ZF 및 MRT와 같은 전통적 방법보다 성능 향상을 얼마나 달성하는지 평가하고자 한다.

제안 방법

• 불완전한 CSIT 및 CSIR 하에서 다중 사용자 MISO 방송 채널의 RSMA에 대한 합성 비트 전송률 최대화 문제를 수립하며, 채널 오차는 유계 불확실성으로 모델링한다.
• 비볼록 최적화 문제를 선형화하기 위해 준정적 프로그래밍(SDR)을 적용하여 해법이 가능한 형태로 변환한다.
• 반복적으로 해를 개선하고 국소 최적해로 수렴하기 위해 볼록-비볼록 절차(CCCP)를 활용한다.
• 공통 스트림 프리코더와 개인 스트림 프리코더를 동시에 최적화하고 전력 할당을 통합함으로써, 탄력적인 비율 분할을 통한 간섭 관리 기능을 구현한다.
• 채널 불확실성을 모델링하고 강건성을 확보하기 위해 오차 집합을 활용한 표본 평균 근사(SAA) 기법을 적용한다.
• 개선된 알고리즘을 고정된 프리코딩 방식(ZF 및 MRT)과 비교하며, 개인 스트림은 전력 및 공통 스트림만 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공동으로 불완전한 CSIT 및 CSIR가 존재할 경우 RSMA 성능는 어떻게 저하되며, 이를 강건하게 만들 수 있는가?
• RQ2 채널 추정 오차 분산이 RSMA의 합성 비트 전송률에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 고SNR 조건에서 어떤가?
• RQ3 불완전한 CSI 조건에서 프리코딩 벡터와 전력 할당을 공동 최적화하는 것이 ZF 및 MRT와 같은 고정 프리코딩 방식을 능가할 수 있는가?
• RQ4 SDR 및 CCCP 기반으로 설계된 제안된 알고리즘이 불확실성 하에서 기존 방법보다 더 높은 합성 비트 전송률을 달성하는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 RSMA는 모든 SNR 및 오차 분산 수준에서 고정된 ZF 또는 MRT 프리코딩 방식을 사용하는 RSMA보다 엄격히 높은 합성 비트 전송률을 달성한다.
• 고SNR 조건에서 채널 오차 분산이 작더라도, 잔류 간섭을 더 효과적으로 다루기 때문에 제안된 RSMA는 ZF 기반 RSMA를 능가한다.
• 채널 오차 분산이 클 경우 제안된 RSMA는 저SNR 시스템과 유사하게 행동하며, MRT beamforming에 수렴하지만 여전히 MRT 기반 RSMA를 능가한다.
• 불완전한 CSIR 조건에서 고SNR일 경우 채널 오차로 인한 간섭 증가로 인해 합성 비트 전송률이 포화 상태에 도달하지만, 제안된 RSMA는 이 영향을 효과적으로 완화한다.
• SDR 및 CCCP 기반으로 설계된 제안된 알고리즘은 비볼록 최적화 문제에서 강건한 해에 수렴함을 확인하였으며, 안정성과 성능 향상을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과는 RSMA가 CSIT 및 CSIR의 불완전성에 대해 본질적으로 강건함을 확인하였으며, 이는 실용적인 다중 사용자 MIMO 시스템에 매우 적합한 후보임을 시사한다.