[论文解读] Rate-Splitting for Multi-Antenna Non-Orthogonal Unicast and Multicast Transmission: Spectral and Energy Efficiency Analysis

Yijie Mao, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 44被引用 14

一句话总结

本文提出了一种用于多天线非正交单播与广播（NOUM）传输的单层和广义速率分割（RS）策略，利用现有的连续干扰消除（SIC）接收机联合解码广播流并管理多用户干扰。所提出的RS方案在各种信道条件和网络负载下，相较于多用户线性预编码（MU-LP）、正交多址接入（OMA）和非正交多址接入（NOMA），均实现了更高的频谱效率和能量效率，其中单层RS在低复杂度下实现了接近最优的性能。

ABSTRACT

In a Non-Orthogonal Unicast and Multicast (NOUM) transmission system, a multicast stream intended to all the receivers is superimposed in the power domain on the unicast streams. One layer of Successive Interference Cancellation (SIC) is required at each receiver to remove the multicast stream before decoding its intended unicast stream. In this paper, we first show that a linearly-precoded 1-layer Rate-Splitting (RS) strategy at the transmitter can efficiently exploit this existing SIC receiver architecture. We further propose multi-layer transmission strategies based on the generalized RS and power-domain Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA). Two different objectives are studied for the design of the precoders, namely, maximizing the Weighted Sum Rate (WSR) of the unicast messages and maximizing the system Energy Efficiency (EE), both subject to Quality of Service (QoS) rate requirements of all the messages and a sum power constraint. A Weighted Minimum Mean Square Error (WMMSE)-based algorithm and a Successive Convex Approximation (SCA)-based algorithm are proposed to solve the WSR and EE problems, respectively. Numerical results show that the proposed RS-assisted NOUM transmission strategies are more spectrally and energy efficient than the conventional Multi-User Linear-Precoding (MU-LP), Orthogonal Multiple Access (OMA) and power-domain NOMA in a wide range of user deployments (with a diversity of channel directions, channel strengths and qualities of channel state information at the transmitter) and network loads (underloaded and overloaded regimes). It is superior for the downlink multi-antenna NOUM transmission.

研究动机与目标

• 解决传统多用户线性预编码（MU-LP）在NOUM系统中的局限性，特别是其对信道正交性和非完美信道状态信息（CSIT）的敏感性。
• 不仅利用现有NOUM接收机中的SIC架构实现单播与广播流的分离，还用于管理单播流之间的多用户干扰。
• 设计低复杂度预编码器，在QoS和总功率约束下最大化加权和速率（WSR）或能量效率（EE）。
• 在不同用户部署、信道条件和网络负载（轻载与过载）下，验证RS基NOUM策略的鲁棒性与优越性。

提出的方法

• 提出一种单层速率分割（RS）策略，将单播消息划分为公共部分和私有部分，将公共部分与广播流联合编码为一个超公共流，由所有用户共同解码。
• 提出一种广义多层RS框架，支持部分干扰解码和部分作为噪声处理，从而提升频谱效率。
• 设计基于加权最小均方误差（WMMSE）的算法，求解在总功率和QoS约束下的WSR最大化问题。
• 设计基于连续凸逼近（SCA）的算法，求解在相同约束下的EE最大化问题。
• 复用接收机中已有的SIC能力，实现双重功能：分离单播与广播流，并管理单播流之间的干扰。
• 从频谱效率和能量效率角度，将所提出的RS策略与MU-LP、OMA及基于SC-SIC和按组SC-SIC的NOMA方案进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 速率分割（RS）能否有效应用于多天线非正交单播与广播（NOUM）传输，以提升频谱效率和能量效率？
• RQ2 所提出的单层RS策略如何利用现有SIC接收机架构，同时实现广播-单播分离与单播流间多用户干扰管理？
• RQ3 在不同信道条件和网络负载下，广义RS相较于传统MU-LP、OMA和NOMA在WSR和EE方面分别实现了多大性能增益？
• RQ4 所提出的RS基策略在复杂度和性能方面与SC-SIC及按组SC-SIC策略相比如何，特别是在接收机复杂度和计算负载方面？
• RQ5 在非完美信道状态信息（CSIT）和多样化用户部署条件下，所提出的RS框架在多大程度上保持鲁棒性与性能增益？

主要发现

• 广义RS辅助的NOUM策略在所有测试用户部署场景下（包括轻载与过载场景）均优于MU-LP、OMA和NOMA，频谱效率和能量效率均有显著提升。
• 单层RS策略在计算复杂度显著降低的情况下，实现了接近广义RS的近似最优性能，在所有仿真场景中均优于MU-LP的WSR与EE表现。
• 在存在动态功耗（P_dyn）时，单层RS仅需WMMSE算法一次迭代即可收敛，而基于SC-SIC的策略需针对每种解码顺序重复优化，显著增加了发射端复杂度。
• RS的EE区域显著优于OMA，后者仅限于端点之间的线段，而RS实现了更广且更高效的权衡区域。
• 在大多数部署场景下，单层RS的EE性能优于SC-SIC和按组SC-SIC，尤其在用户信道非正交时表现更优，体现出对信道差异的鲁棒性。
• 所提出的单层RS在保持与MU-LP相同接收机复杂度的同时，提供了更优的性能，使其成为未来5G/6G网络中极具实用性和高效性的解决方案。