[論文レビュー] Multiple Transmit Power Levels based NOMA for Massive Machine-type Communications

Wenqiang Yi, Wenjuan Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、マス・マシンタイプ通信（mMTC）における上行リンク接続性とスペクトル効率を向上させるために、複数送信電力レベルに基づく非直交多重アクセス（MTNOMA）方式を提案する。電力マップを用いたオープンループ電力制御により、地域別に送信電力レベルを割り当てることで、ユーザーバーリングを伴う準ゲントリーフリー（semi-GF）伝送を実現し、高負荷下でも従来のゲントリーフリー方式に比べ32倍、ゲントリーベース方式に比べ最大360%高い平均到着レート（AAR）を達成する。また、デバイス数が急増しても性能が安定する。

ABSTRACT

This paper proposes a tractable solution for integrating non-orthogonal multiple access (NOMA) into massive machine-type communications (mMTC) to increase the uplink connectivity. Multiple transmit power levels are provided at the user end to enable open-loop power control, which is absent from the traditional uplink NOMA with the fixed transmit power. The basics of this solution are firstly presented to analytically show the inherent performance gain in terms of the average arrival rate (AAR). Then, a practical framework based on a novel power map is proposed to associate a set of well-designed transmit power levels with each geographical region for handling the no instantaneous channel state information problem. Based on this framework, the semi-grant-free (semi-GF) transmission with two practical protocols is introduced to enhance the connectivity, which has higher AAR than both the conventional grand-based and GF transmissions. When the number of active GF devices in mMTC far exceeds the available resource blocks, the corresponding AAR tends to zero. To solve this problem, user barring techniques are employed into the semi-GF transmission to stable the traffic flow and thus increase the AAR. Lastly, promising research directions are discussed for improving the proposed networks.

研究の動機と目的

• 高いデバイス密度と間歇的トラフィックを伴うマス・マシンタイプ通信（mMTC）におけるスケーラビリティと接続性の制限を解決すること。
• 従来の上行リンクNOMAでは、mMTCに不適切なフィードバック依存のクローズドループ制御に依存するため、オープンループ電力制御の欠如を克服すること。
• 即時のチャネル状態情報（ICSI）を必要とせず、地理的領域を送信電力レベルにマッピングする電力マップを用いた実用的フレームワークを設計すること。
• ユーザーバーリング技術を統合した準ゲントリーフリー（semi-GF）伝送により、高負荷下でも性能を安定化させ、mMTCにおける接続性を向上させること。
• MTNOMA-mMTCにおける将来の研究方向性を検討すること、具体的にはQoS指向SIC、動的ユーザーバーリング、MIMO統合を含む。

提案手法

• mMTCにおけるフィードバックを不要にするオープンループ電力制御を可能にする複数送信電力レベル（MTPL）方式を提案する。
• 地理的領域を事前に定義された送信電力レベル（TPLs）にマッピングする電力マップを導入し、衝突と消費電力を低減する。
• ゲントリーベースの信頼性とゲントリーフリーの柔軟性を組み合わせた準ゲントリーフリー（semi-GF）伝送プロTOCOLを採用する。
• 同時に送信するデバイス数を制限するユーザーバーリングメカニズムを設計し、システム負荷を安定化させ、デバイス密度が高くなるとAARが崩壊するのを防ぐ。
• 確率的幾何学的手法と統計的チャネルモデルを用いて、送信電力レベルと受信電力レベル（RPLs）との間のマッピングを導出し、性能解析を可能にする。
• 受信電力レベル（RPL）の強度順に、基地局で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を実行し、SINR閾値に従って復調成功を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mMTCにおいてフィードバック依存のクローズドループ電力制御に代わる、効果的なオープンループ電力制御をどのように実装できるか？
• RQ2 さまざまなデバイス負荷下における平均到着レート（AAR）の観点から、MTNOMAは従来のOMAおよびNOMAに比べてどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ3 即時のチャネル状態情報（ICSI）を必要とせず、地理的領域に送信電力レベルを割り当てる実用的な電力マップをどのように設計できるか？
• RQ4 アクティブデバイス数がリソースブロック容量を超える場合、ユーザーバーリングを伴う準GF伝送が、システムの安定性とAARにどのように寄与するか？
• RQ5 QoS指向SIC、動的ユーザーバーリング、MIMOのMTNOMA-mMTCネットワークへの統合に向けた主な課題と将来の研究方向性は何か？

主な発見

• MTNOMAを用いた準GF伝送は、10のリソースブロック（RBs）と2つのRPLs下で、従来のGF伝送に比べ最大360%高い平均到着レート（AAR）を達成する。
• ユーザーバーリングを伴う本稿の準GF方式は、200台のデバイスがアクティブで10のRBsと4つのRPLsを有する状況で、GFオンリーフレームワークに比べAARを32倍に向上させる。
• ユーザーバーリングがない場合、高負荷下でAARは急激に低下するが、ユーザーバーリングを導入することで、デバイス数が増加してもAARは安定し、理論的最大値に近づく。
• 電力マップフレームワークにより、地理的および統計的チャネル情報に基づき地域別に送信電力レベル（TPLs）を割り当てることで、効果的な衝突低減とエネルギー効率が実現される。
• 理論的解析により、適切に設計された電力マップでは、長期的に最適な性能が達成されることを確認した。
• 将来の研究方向性には、短パケット通信向けの非ガウス型チャネルモデルの開発、機械学習ベースの電力マップ設計の改善、QoS指向SICおよび動的ユーザーバーリングの実装が含まれる。