[論文レビュー] An Error-limited NOMA-HARQ Approach using Short Packets

Behrooz Makki, Tommy Svensson+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、上行通信における誤り制限付きNOMA-HARQ方式を提案し、HARQフィードバックに基づいて受信機の復調順序を動的に適応させるもので、受信機の複雑さを増さずに、セルセンター端局のスペクトル効率およびエネルギー効率を顕著に向上させる。主な結果として、従来のNOMA-HARQと比較して、セルエッジ端局の再送行ごとにセルセンター端局の信号を干渉なしで復調可能となるため、再送行におけるSNRを9 dB低減できる。

ABSTRACT

In this paper, we propose and analyze an error-constrained data transmission approach for uplink communication using non-orthogonal multiple access (NOMA). The results are presented for the cases with hybrid automatic repeat request (HARQ) protocols where, depending on the message decoding status in the previous rounds, the decoding scheme of the receiver as well as the data rates/transmission powers of the transmitters are adapted correspondingly. We perform finite block-length analysis of the proposed scheme and study the effect of the codewords length on the performance of NOMA-HARQ protocols. Particularly, considering repetition time diversity HARQ and codewords of finite length, we determine the expected error-limited achievable rate and the transmit power improvement of our proposed scheme, compared to the conventional NOMA-HARQ protocols. As we show, smart adaptation of the decoding scheme improves the spectral/energy efficiency of NOMA-HARQ protocols considerably with no additional receiver complexity.

研究の動機と目的

• 短パケットで有限ブロック長が適用される状況において、誤り伝搬および干渉がスペクトル効率およびエネルギー効率を低下させる従来のNOMA-HARQの性能制限を解消すること。
• 受信機の複雑さを増さずに、上行リンクNOMAシステムにおけるセルセンター端局の誤り制限付き可達レートおよびエネルギー効率を向上させること。
• 復調フィードバックに基づいてメッセージの復調順序を知的に再編成するHARQベースの適応メカニズムを開発し、1つの端局の性能を向上させつつ他の端局との公平性を維持すること。
• 有限ブロック長情報理論を用いて、符号語長、誤り制約、送信電力がシステム性能に与える影響を分析すること。

提案手法

• 提案方式は、繰り返し時間分散(HARQ)を採用し、前回の復調成功・失敗に応じて受信機がメッセージの復調順序をフィードバック駆動で適応させる。
• 受信機は、すべてのペaired端局の復調状況と更新された復調順序を各端局に通知し、各端局がそれに基づいて送信電力およびレートを調整できるようにする。
• 可達レートをモデル化するために有限ブロック長情報理論を適用し、誤差確率の正規近似を用いて、短符号語長および誤り制約下での性能を分析する。
• システムは2つのペアリングされた端局をモデル化する：優先度の高いセルセンター端局とセルエッジ端局で、再送行で復調順序を切り替えることで、セルセンター端局の干渉なし復調を可能にする。
• 本手法は解析的に評価され、シミュレーションと比較され、符号語長、データレート、誤り制約の変動下での従来のNOMA-HARQと比較される。
• 主な性能指標には、必要SNR、誤り制限付き可達レート、送信電力の改善が含まれ、特にセルセンター端局のエネルギー効率向上に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HARQにおける動的復調順序適応は、上行リンクNOMAにおけるセルセンター端局の誤り制限付き可達レートをどのように向上させるか？
• RQ2 特に短パケット条件下において、本方式は従来のNOMA-HARQと比較して、セルセンター端局の送信電力をどの程度低減できるか？
• RQ3 符号語長および誤り制約は、本方式の性能向上にどのように影響するか？
• RQ4 異なる誤り制約下で、セルセンター端局の性能向上とセルエッジ端局の潜在的劣化のトレードオフはいかなるものか？
• RQ5 顕著なスペクトル効率およびエネルギー効率の向上を達成する中で、本方式は低い受信機の複雑さを維持できるか？

主な発見

• 図4のパrameter設定（L=1000, P₂=40 dBm, θ₁=10⁻³, r₁=1 npcu）下で、再送行において従来のNOMA-HARQと比較して、セルセンター端局の必要SNRが9 dB低減される。
• 性能向上は符号語長の増加に伴い増大し、特に1符号語あたりの情報ナット数が固定されている場合に顕著に現れる。
• 与えられたデータレート下で、誤り制限付き必要な電力は符号語長が増加するに従い、可達レートがシャノン容量と整合する漸近値に収束するため、符号語長にほとんど依存しなくなる。
• 1符号語あたりのナット数が固定されている場合、符号語長が長いほど誤り確率が低下し、可達レートが向上するため、セルセンター端局の必要電力は符号語長に著しく影響を受ける。
• 本方式は、特に長い符号語長下で、従来のNOMA-HARQよりも誤り制約に対して感受性が低く、誤差確率の対数スケールにおいて期待可達レートがほぼ線形に増加する。
• 送信電力が高くなるほど、本方式の相対的性能向上が顕著になり、誤り制約、データレート、符号語長の広い範囲で性能向上が維持される。また、中程度／低レベルの誤り制約下では、セルエッジ端局への影響は無視できる。