[论文解读] Rate Splitting with Finite Constellations: The Benefits of Interference Exploitation vs Suppression

Abdelhamid Salem, Christos Masouros+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 6

一句话总结

本论文提出了一种用于相位移键控（PSK）信号的多用户MIMO系统中速率分割（RS）的构造性干扰（CI）预编码技术，证明了通过建设性地利用干扰，基于CI的RS优于零 forcing（ZF）预编码和传统线性预编码（NoRS）。关键贡献是一种专为有限星座图设计的新功率分配策略，在高信噪比（SNR）区域，相比ZF和NoRS可实现高达10 dB的SNR增益。

ABSTRACT

Rate-Splitting (RS) has been proposed recently to enhance the performance of multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems. In RS, a user message is split into a common and a private part, where the common part is decoded by all users, while the private part is decoded only by the intended user. In this paper, we study RS under a phase-shift keying (PSK) input alphabet for multi-user multi-antenna system and propose a constructive interference (CI) exploitation approach to further enhance the sum-rate achieved by RS under PSK signaling. To that end, new analytical expressions for the ergodic sum-rate are derived for two precoding techniques of the private messages, namely, 1) a traditional interference suppression zero-forcing (ZF) precoding approach, 2) a closed-form CI precoding approach. Our analysis is presented for perfect channel state information at the transmitter (CSIT), and is extended to imperfect CSIT knowledge. A novel power allocation strategy, specifically suited for the finite alphabet setup, is derived and shown to lead to superior performance for RS over conventional linear precoding not relying on RS (NoRS). The results in this work validate the significant sum-rate gain of RS with CI over the conventional RS with ZF and NoRS.

研究动机与目标

• 为解决实际有限星座图信号下多用户MIMO系统因多用户干扰导致的性能限制问题。
• 研究构造性干扰（CI）预编码是否能够提升多天线下行链路系统中PSK输入信号的速率分割（RS）和速率性能。
• 开发一种专为有限星座图系统优化的功率分配策略，以最大化RS相比传统线性预编码（NoRS）的和速率增益。
• 在发射端信道状态信息（CSIT）完美与不完美两种情况下，比较RS结合CI预编码与RS结合ZF预编码及NoRS的遍历和速率性能。

提出的方法

• 提出一种新颖的速率分割（RS）框架，将用户消息划分为公共流与专用流，公共消息通过逐次干扰 cancellation（SIC）被所有用户解码。
• 引入一种闭式表达的构造性干扰（CI）预编码技术，通过干扰对齐在不增加发射功率的前提下提升等效信干噪比（SINR）。
• 推导出在PSK调制和有限星座图条件下，CI与零 forcing（ZF）预编码下专用消息的遍历和速率的新解析表达式。
• 设计一种功率分配策略，优化公共消息与专用消息之间的功率分配比例，该策略针对有限字母表约束进行优化，可实现最大和速率增益。
• 将分析扩展至CSIT不完美场景，验证了在真实信道估计误差下的鲁棒性与性能表现。
• 通过QPSK和8PSK星座图的数值仿真，对比RS结合CI、RS结合ZF与NoRS在不同SNR、用户分布及基站天线数量下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 构造性干扰（CI）预编码能否提升多用户MIMO系统中PSK调制下速率分割（RS）的和速率性能？
• RQ2 在CSIT完美与不完美条件下，RS结合CI预编码的和速率性能与RS结合ZF预编码及传统线性预编码（NoRS）相比如何？
• RQ3 在有限星座图系统中，RS系统中公共消息与专用消息之间的最优功率分配策略是什么，以实现最大和速率增益？
• RQ4 CI预编码RS的性能如何随基站天线数和用户数变化？其性能受用户位置与路径损耗的影响如何？
• RQ5 RS结合CI与NoRS的和速率饱和点是否存在差异？调制阶数（如QPSK与8PSK）对系统性能有何影响？

主要发现

• 对于QPSK调制，在高SNR区域，RS结合构造性干扰（CI）预编码相比ZF预编码和传统线性预编码（NoRS）可实现高达10 dB的SNR增益。
• 在所有SNR范围内，RS结合CI的和速率均优于RS结合ZF和NoRS，且在用户信道条件均衡的低SNR区域增益最大。
• 对于QPSK调制，和速率在6 bit/s/Hz处趋于饱和，该极限由8PSK与NoRS匹配，但RS结合CI在饱和前可实现显著更高的速率。
• 在低SNR区域，公共消息的最优功率比例 $ t $ 接近1，表明RS退化为NoRS；在高SNR区域，$ t < 1 $ 为最优，表明公共消息传输具有显著优势。
• 当基站天线数 $ N $ 远大于用户数 $ K $ 时，ZF预编码性能趋近于CI预编码，证实ZF是CI的特例。
• 在CSIT不完美时性能有所下降，但CI预编码RS相比ZF和NoRS的优越性在所有场景中均保持不变，包括随机用户分布与路径损耗增加的情况。