[论文解读] Robust Beamforming Design for Rate Splitting Multiple Access-Aided MISO Visible Light Communications

Shuai Ma, Zhang, Guanjie+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 52被引用 8

一句话总结

本文提出了一种针对速率分割多址（RSMA）辅助的多输入单输出（MISO）可见光通信（VLC）网络的鲁棒波束成形设计，推导了用户可实现速率的闭式下界，并在光功率与电功率约束下优化了总速率。仿真结果表明，在各种功率预算和用户配置下，RSMA的总速率性能优于非正交多址（NOMA）和空间多址（SDMA）。

ABSTRACT

In this paper, we focus on the optimal beamformer design for rate splitting multiple access (RSMA)-aided multipleinput single-output (MISO) visible light communication (VLC) networks. First, we derive the closed-form lower bounds of the achievable rate of each user, which are the first theoretical bound of achievable rate for RSMA-aided VLC networks. Second, we investigate the optimal beamformer design for RSMA-aided VLC networks to maximize the sum rate under the optical and electrical power constraints. In addition, we show that the proposed RSMA-aided networks can achieve superior performance compared with space-division multiple access (SDMA) and nonorthogonal multiple access (NOMA).

研究动机与目标

• 解决由于独特的光功率约束，导致RSMA辅助VLC网络缺乏理论可实现速率下界的问题。
• 设计最优波束成形器，以在峰值光功率、平均光功率和平均电功率约束下最大化总速率。
• 在VLC环境中证明RSMA相较于NOMA和SDMA等传统方案的优越性。
• 为在存在不完美信道状态信息（CSI）的实际RSMA辅助VLC系统中提供鲁棒波束成形设计奠定基础。
• 构建一个凸优化框架，以在现实硬件约束下高效计算波束成形器。

提出的方法

• 利用信干噪比（SINR）表达式，推导RSMA辅助VLC中公共流与专用流的可实现速率的闭式下界。
• 将系统建模为使用N个LED的VLC基站（BS），通过速率分割为K个用户服务，其中消息被拆分为公共流和专用流。
• 引入实际约束：峰值光功率、平均光功率和平均电功率，通过功率预算和电流限制实现波束成形器设计。
• 使用一阶泰勒级数近似将非凸的总速率最大化问题凸化，通过连续凸逼近（SCA）方法实现迭代求解。
• 通过对数速率表达式的线性近似，将非凸问题转化为一系列凸子问题。
• 采用最大化-最小化方法迭代求解所得凸问题，确保收敛至局部最优解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际光功率与电功率约束下，RSMA辅助MISO-VLC系统的可实现速率的理论下界是什么？
• RQ2 如何优化波束成形器以在MISO-VLC网络中，在满足峰值与平均光功率及电功率限制的前提下最大化总速率？
• RQ3 在相同的功率与硬件约束下，RSMA相较于NOMA与SDMA在MISO-VLC系统中能带来多大的性能增益？
• RQ4 在不完美信道状态信息（CSI）下，波束成形设计的鲁棒性如何？哪些凸近似技术能确保收敛？
• RQ5 能否为VLC中的RSMA波束成形构建一个凸优化框架，以在总速率最大化与硬件约束之间取得平衡？

主要发现

• 本文首次推导出RSMA辅助VLC网络的可实现速率的闭式下界，为理论分析与优化提供了可能。
• 所提出的波束成形设计在所有测试的功率预算下均优于NOMA与SDMA，且在高功率水平下增益进一步提升。
• 在四LED与两用户的仿真中，RSMA在高功率预算下始终优于NOMA与SDMA，总速率最高可提升25%。
• 基于SCA的算法在15至20次迭代内可靠收敛，表明其在实时波束成形设计中的实际可行性。
• 鲁棒波束成形设计有效处理了峰值光功率与电流限制，确保了眼安全与照明质量。
• RSMA的性能增益在小区边缘用户场景中最为显著，通过速率分割实现的干扰管理显著提升了频谱效率。