[论文解读] Rate-Splitting for Downlink Multi-User Multi-Antenna Systems: Bridging NOMA and Conventional Linear Precoding.

Yijie Mao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

该论文提出一种速率分割（RS）作为下行链路多用户MISO系统中的统一传输策略，通过部分解码干扰并部分将其视为噪声，实现非正交多址接入（NOMA）与传统线性预编码之间的平滑过渡。在某些信道条件下，RS通过混合干扰管理优于NOMA和线性预编码，从而提升频谱效率。

ABSTRACT

The main aim of this work is to bridge two contrasting transmission strategies used for the multiple-input single-output (MISO) broadcast channel (BC), namely, non-orthogonal multiple access (NOMA) and multi-user linear precoding. The former is based on superposition coding with successive interference cancellation (SC--SIC), and therefore relies on strong users to fully decode and cancel interference created by messages of weaker users. It is known to be suitable for degraded channels, e.g. when user channels are aligned. The latter is more common for multi-user transmission. It is known to have near optimal performance when the user channels are orthogonal or semi-orthogonal. We propose the use of rate-splitting (RS), a more general transmission approach that contains the two aforementioned strategies as special cases. The key benefit of RS is its ability to partially decode interference and partially treat interference as noise, therefore bridging the two extremes of fully decoding interference (as in NOMA) and treating interference as noise (as in conventional multi-user linear precoding). The three strategies are compared and numerical results show that RS provides a smooth transition between NOMA and linear precoding, and outperforms them both in some scenarios.

研究动机与目标

• 解决在非正交或部分对齐信道下的多用户MISO广播信道中，传统线性预编码与NOMA的局限性。
• 在单一框架下统一两种截然不同的传输策略——NOMA（完全解码干扰）与线性预编码（将干扰视为噪声）。
• 提出一种通用的传输策略，实现从干扰解码到干扰消除的平滑插值。
• 证明在信道对齐性能不佳的情况下，RS的频谱效率优于NOMA与线性预编码。

提出的方法

• 引入速率分割（RS）作为广义传输策略，将每个用户的数据流划分为私有部分与公共部分。
• 对公共消息采用叠加编码，将私有消息视为预期信号，从而实现部分干扰解码。
• 在接收端应用连续干扰消除（SIC），优先解码公共消息，随后在减去公共干扰后解码私有消息。
• 设计预编码向量以平衡干扰解码与干扰作为噪声处理之间的权衡，优化总速率。
• 将预编码设计建模为在功率约束下最大化总速率的问题，其中私有流的干扰被视为噪声。
• 将RS整合到MISO广播信道框架中，使其在所有干扰均被解码时退化为NOMA，在所有干扰均被视为噪声时退化为线性预编码。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计速率分割以弥合MISO广播信道中NOMA与传统线性预编码之间的性能差距？
• RQ2 在何种信道条件下RS优于NOMA与线性预编码？
• RQ3 与完全解码（NOMA）或完全视为噪声处理（线性预编码）相比，RS中部分解码干扰如何提升频谱效率？
• RQ4 功率分配与预编码设计在通过RS实现NOMA与线性预编码之间平滑过渡中起什么作用？
• RQ5 RS能否在总速率与接收机复杂度之间实现优于现有策略的权衡？

主要发现

• 速率分割通过实现部分干扰解码与部分作为噪声处理，实现了NOMA与传统线性预编码之间的平滑过渡。
• 在非正交或部分对齐用户信道的场景中，RS优于NOMA与线性预编码。
• 所提出的RS框架在干扰无法完全解码时，频谱效率高于NOMA；在干扰可部分利用时，频谱效率高于线性预编码。
• 数值结果证实，RS在广泛信道条件下均保持鲁棒性能，包括NOMA与线性预编码性能下降的场景。
• RS的混合干扰管理策略通过平衡干扰解码与噪声式处理，实现了更优的总速率性能。