[论文解读] Rate-Splitting Multiple Access for Multi-Antenna Broadcast Channel with Imperfect CSIT and CSIR

Jihye An, Onur Dizdar+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 12

一句话总结

本文提出了一种在发射端（CSIT）和接收端（CSIR）均存在信道状态信息不完美情况下的多用户MISO广播信道的鲁棒码分裂多址接入（RSMA）方案。通过联合优化波束成形向量与功率分配，采用半定松弛（SDR）与凹-凸逼近法（CCCP），该方法在存在信道估计误差的情况下仍能最大化系统速率，性能优于ZF与MRT基RSMA，在所有信噪比（SNR）与误差方差水平下表现更优。

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.

研究动机与目标

• 为解决在实际系统中普遍存在的不完美CSIT与CSIR下缺乏鲁棒RSMA设计的问题。
• 针对存在信道不确定性的多用户MISO广播信道中的RSMA，建立非凸系统速率最大化问题。
• 提出一种联合优化波束成形向量与功率分配的框架，以提升在不完美CSI条件下的系统速率。
• 在不同信道误差与SNR条件下，评估所提RSMA相对于传统方案（如ZF与MRT）的性能增益。

提出的方法

• 针对存在不完美CSIT与CSIR的多用户MISO广播信道中的RSMA，建立系统速率最大化问题，将信道误差建模为有界不确定性。
• 应用半定松弛（SDR）技术将非凸优化问题凸化，通过松弛方法实现可解性。
• 采用凹-凸逼近法（CCCP）迭代优化，逐步逼近局部最优的波束成形与功率分配方案。
• 联合优化公共流波束成形器与私有流波束成形器，并结合功率分配，通过灵活的码分裂实现干扰管理。
• 利用样本平均近似（SAA）结合误差集合来建模信道不确定性，确保速率计算的鲁棒性。
• 将所提算法与固定波束成形方案（ZF与MRT）进行对比，仅对私有流进行功率与公共流优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在联合存在不完美CSIT与CSIR的情况下，RSMA性能如何退化？能否实现鲁棒性？
• RQ2 信道估计误差方差对RSMA系统速率的影响如何，尤其是在高SNR时？
• RQ3 在不完美CSI条件下，波束成形向量与功率分配的联合优化能否优于ZF与MRT等固定波束成形方案？
• RQ4 所提基于SDR与CCCP的算法如何在不确定性条件下实现比传统方法更高的系统速率？

主要发现

• 所提RSMA在联合优化波束成形与功率分配时，相较于固定ZF或MRT波束成形的RSMA，在所有SNR与误差方差水平下均实现更高的系统速率。
• 在高SNR下，即使信道误差方差较小，所提RSMA仍优于ZF基RSMA，归因于对残留干扰的更好处理。
• 当信道误差方差较大时，所提RSMA行为类似于低SNR系统，近似于MRT波束成形，但仍优于MRT基RSMA。
• 在不完美CSIR条件下，系统速率在高SNR时趋于饱和，这是由于信道误差导致的干扰增加，但所提RSMA能有效缓解该效应。
• 基于SDR与CCCP的所提算法能成功收敛至鲁棒解，在非凸优化中表现出稳定性与性能增益。
• 仿真结果证实，RSMA在CSIT与CSIR均不完美时仍具备内在鲁棒性，是实际多用户MIMO系统中的有力候选方案。