[论文解读] Rate-Splitting Multiple Access for Overloaded Cellular Internet of Things

Yijie Mao, Enrico Piovano+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文针对在接收端信道状态信息（CSIT）异构的过载蜂窝物联网网络，提出功率分摊-速率分割多址接入（PP–RSMA）。通过在相同时隙内联合服务高阶用户（部分CSIT）与物联网设备（统计CSIT），利用功率分割预编码，PP–RSMA在高信噪比下实现最优自由度（DoF），并相对于时隙分时-RSMA和基准方案展现出明确的和速率增益，同时对CSIT不准确性具有鲁棒性，且可灵活满足服务质量（QoS）约束。

ABSTRACT

In the near future, it is envisioned that cellular networks will have to cope with extensive Internet of Things (IoT) devices. Therefore, a required feature of cellular IoT will be the capability to serve simultaneously a large number of devices with heterogeneous demands and qualities of Channel State Information at the Transmitter (CSIT). In this paper, we focus on an overloaded Multiple-Input Single-Output (MISO) Broadcast Channel (BC) with two groups of CSIT qualities, namely one group of users (representative of high-end devices) for which the transmitter has partial knowledge of the CSI, the other group of users (representative of IoT devices) for which the transmitter only has knowledge of the statistical CSI. We introduce Rate-Splitting Multiple Access (RSMA), a new multiple access based on multi-antenna Rate-Splitting (RS) for cellular IoT. Two strategies are proposed, namely, Time Partitioning-RSMA (TP-RSMA) and Power Partitioning-RSMA (PP-RSMA). The former independently serves the two groups of users over orthogonal time slots while the latter jointly serves the two groups of users within the same time slot in a non-orthogonal manner. We first show at high Signal-to-Noise Ratio (SNR) that PP-RSMA achieves the optimum Degrees-of-Freedom (DoF) in an overloaded MISO BC with heterogeneous CSIT qualities and then show at finite SNR that, by marrying the benefits of PP and RSMA, PP-RSMA achieves explicit sum rate gain over TP-RSMA and all baseline schemes. Furthermore, PP-RSMA is robust to CSIT inaccuracy and flexible to cope with Quality of Service (QoS) rate constraints of all users. The DoF and rate analysis helps us draw the conclusion that PP-RSMA is a powerful framework for cellular IoT with a large number of devices.

研究动机与目标

• 解决在过载蜂窝网络中，为大量CSIT质量异构的物联网设备提供服务的挑战。
• 克服传统空分多址（SDMA）与非正交多址（NOMA）在过载、非完美CSIT场景下的局限性。
• 设计一种在部分或统计CSIT条件下仍能保持高 spectral efficiency 和鲁棒性的多址接入方案。
• 实现在同一时频资源上联合传输高阶与低阶物联网用户，且具备QoS灵活性。
• 在实际CSIT约束下实现最优DoF和和速率性能。

提出的方法

• 提出两种策略：时隙分时-RSMA（正交时隙）与功率分摊-RSMA（非正交联合传输）。
• 采用速率分割技术，包含公共流与私有流，其中公共流经预编码以对具有部分CSIT的用户进行干扰对齐。
• 在用户间实施功率分摊：为高信噪比用户分配私有流，为统计CSIT用户分配公共流。
• 在高信噪比下进行自由度（DoF）分析，以证明在具有异构CSIT的过载MISO广播信道中，PP–RSMA的最优性。
• 推导和速率表达式，并在有限信噪比下将PP–RSMA与TP–RSMA及基准方案（如SDMA、NOMA）进行比较。
• 使用数学归纳法与面分析方法，证明DoF区域的可实现性，经由[29]的反证法验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有两组CSIT质量不同的用户、且处于过载状态的MISO广播信道中，RSMA能否实现最优自由度（DoF）？
• RQ2 在和速率与鲁棒性方面，PP–RSMA相较于TP–RSMA及传统多址接入方案（SDMA、NOMA）表现如何？
• RQ3 在CSIT不完美或为统计信息时，PP–RSMA的性能能保持多大程度？
• RQ4 PP–RSMA能否支持异构用户间多样化的服务质量（QoS）速率约束？
• RQ5 在具有部分CSIT与统计CSIT的过载MISO广播信道中，可实现的DoF区域是什么？

主要发现

• 在高信噪比下，PP–RSMA在具有异构CSIT质量的过载MISO广播信道中实现了最优自由度（DoF）。
• 在有限信噪比下，PP–RSMA相对于TP–RSMA及所有基准方案（包括SDMA与NOMA）展现出明确的和速率增益。
• PP–RSMA的DoF区域与[29]推导出的外边界完全一致，证明了其最优性。
• 由于通过公共流与功率分摊实现干扰管理，PP–RSMA对CSIT不准确性具有鲁棒性。
• 该方案具备灵活性，可满足所有用户（包括统计CSIT用户）的个体化QoS速率约束。
• 所提方法通过在多面体区域的各面上进行功率分摊与时隙共享，实现了DoF区域，经由归纳法与反证法验证。