[論文レビュー] Effective Capacity of NOMA with Finite Blocklength for Low-Latency Communications

Muhammad Amjad, Leila Musavian+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、超信頼性低遅延通信（URLLC）を支援するため、有限バッチ長領域における2ユーザー非直交多重アクセス（NOMA）の閉形式有効容量（EC）解析を提案する。Rayleigh fadingチャネルをモデル化し、伝送誤り確率と遅延違反確率の両方を組み込むことで、SNR、遅延指数、信頼性の間のトレードオフを示すEC式を導出する。その結果、誤り確率の支配的影響のため、高遅延指数であっても遅延違反確率は閾値以下に改善されないことが明らかになった。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the link-layer rate of a two-users non-orthogonal multiple access (NOMA) network in finite blocklength (short packet communications) regime, where the two users are paired from a set of V users. The overall reliability consists of the transmission error probability and the queuing delay violation probability. The performance of the two-users NOMA network in finite blocklength is verified for achieving latency and reliability, using the effective capacity (EC) framework. Specifically, we derive closed-form expressions for the EC of the two-users NOMA network in finite blocklength regime, considering transmissions over Rayleigh fading channels. We also study a multiuser NOMA network and derive the total EC of two-users NOMA subsets, and show that the NOMA set with users having distinct channel conditions achieve maximum total EC. Focusing on a two-users NOMA network, we study the impact of the transmit signal-to-noise ratio, delay exponent, and transmission error probability, on the achievable EC of each user. The analysis shows that when the delay exponent is high, the delay violation probability does not improve below a certain value due to the dominant factor of the transmission error probability. The accuracy of the proposed closed-form expressions for the individual EC of a two-users NOMA is verified using the Monte-Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 有限バッチ長領域における2ユーザーNOMAの有効容量（EC）を、低遅延・超信頼性通信の観点から分析すること。
• 伝送誤り確率とキューイング遅延違反の両方がシステム信頼性に与える統合的影響をモデル化すること。
• Rayleigh fadingチャネル下での2ユーザーNOMAペアにおける強信号ユーザーおよび弱信号ユーザーの両方の閉形式EC式を導出すること。
• 送信SNR、遅延指数、誤り確率が個々のユーザーのECに与える影響を調査すること。
• マルチユーザーNOMAネットワークにおける総ECを最大化する最適なユーザーペアリング戦略を同定すること。

提案手法

• 有限バッチ長NOMAにおける遅延および信頼性制約下での最大持続可能到着レートを定量化するため、有効容量（EC）フレームワークを適用する。
• 弱信号ユーザーのチャネル利得分布に対して、順序統計と一般化二項展開を用いてECの閉形式式を導出する。
• 2ユーザーNOMA構成において、送信側でスーパーポジション・コーディング（SC）を、受信側で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を実装する。
• 導出された閉形式EC式の正確性を検証するために、モンテカルロシミュレーションを用いる。
• EC式に由来する積分は、特に指数積分関数を含む、文献[29]に記載された既知の積分恒等式を用いて解く。
• 2ユーザーNOMAサブセットの総ECを分析し、チャネル利得が著しく異なるユーザー同士をペアリングすることで、全体のECが最大になることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Rayleigh fading下で、有限バッチ長制約下における2ユーザーNOMAペアの有効容量はどのように振る舞うか？
• RQ2 伝送誤り確率が無視できない場合、遅延指数が遅延違反確率に与える影響は何か？
• RQ3 送信SNRと誤り確率が、それぞれのNOMAユーザーの達成可能なECにどのように共同で影響を与えるか？
• RQ4 閉形式式は、有限バッチ長システムにおけるNOMAユーザーのECを正確に表現できるか？
• RQ5 マルチユーザーNOMAネットワークにおいて、総有効容量を最大化するユーザーペアリング戦略は何か？

主な発見

• 2ユーザーNOMAにおける強信号ユーザーおよび弱信号ユーザーの両方の有効容量の導出された閉形式式は、モンテカルロシミュレーションにより検証され、高い正確性を確認した。
• 遅延指数が高くなっても、伝送誤り確率の支配的影響のため、遅延違反確率は特定の閾値以下に改善されない。
• 2ユーザーNOMAサブセットの総有効容量は、チャネル利得が著しく異なるユーザーをペアリングした場合に最大になる。
• 高SNR領域では、弱信号ユーザーの有効容量は、システムの誤り確率と遅延制約によって決定される値に収束する。
• 有効容量フレームワークは、有限バッチ長NOMAシステムにおける物理層の誤りとキューイング遅延の両方の共同的影響を的確に捉えている。
• 一般化二項展開および積分恒等式の活用により、複雑なフェージングおよび干渉状態下でも、取り扱い可能な閉形式式としてECを導出可能となった。