[论文解读] 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 21

一句话总结

本文提出了一种在单输入单输出（SISO）无线网络中下行链路速率分割多址（RSMA）的最优速率分配与功率控制方案。通过联合优化公共消息的速率分配与公共及私有信号流的发射功率，该方案在逐次干扰消除（SIC）约束下最大化和速率，相较于NOMA和OFDMA分别实现了最高15.6%和21.5%的频谱效率增益。

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.

研究动机与目标

• 解决SISO系统中RSMA的速率分配与功率控制联合最优解缺失的问题。
• 通过优化公共消息与私有消息之间的分配比例，最大化网络和速率。
• 引入逐次干扰消除（SIC）约束，以确保公共消息的可靠解码。
• 在公共消息功率固定的前提下，推导出私有消息功率与最优速率分配的闭式解。
• 提出一种一维搜索算法，以确定最优公共消息功率。

提出的方法

• 将和速率最大化建模为一个具有SIC约束和功率预算约束的非凸优化问题。
• 针对给定的公共消息功率和速率分配，推导出私有消息功率的闭式最优解。
• 利用最优私有功率，推导在公共功率固定条件下的最优公共消息速率分配。
• 通过在公共消息功率上进行一维搜索，寻找全局最优解。
• 根据用户信道增益和速率需求，划分三种情况以确定最优速率分配。
• 引入SIC约束，以确保公共消息的可靠解码并维持干扰管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在SISO下行链路系统中联合优化RSMA的速率分配与功率控制，以最大化和速率？
• RQ2 当公共消息功率和速率分配固定时，私有消息的最优功率分配是什么？
• RQ3 在SIC约束下，如何在用户间最优分配公共消息速率以最大化和速率？
• RQ4 什么是最优公共消息传输功率，可使整体和速率最大化？
• RQ5 所提方案在频谱效率方面相较于NOMA和OFDMA有何优势？

主要发现

• 所提方案相较非正交多址（NOMA）的和速率最高提升15.6%。
• 所提方案相较正交频 division 多址（OFDMA）的和速率最高提升21.5%。
• 对于任意给定的公共消息功率和速率分配，推导出了私有消息功率的闭式最优解。
• 基于用户信道增益和速率需求，通过三种情况分析确定了公共消息的最优速率分配。
• 一维搜索算法能高效收敛至公共消息功率的全局最优解。
• 该解确保满足SIC约束，从而实现公共消息的可靠解码，同时最小化干扰。