[論文レビュー] Pilot-Based Unsourced Random Access with a Massive MIMO Receiver, MRC and Polar Codes.

Alexander Fengler, Peter Jung+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、レイリー定常 fading 系で動作する massive MIMO 上行リンクシステムに対して、非直交性パイロット、MRC結合、および逐次取消リストデコーディングを用いた極性符号を用いたパイロットベースの無元授権ランダムアクセス方式を提案する。十分に長いコherencyブロックが与えられた場合、この手法は閉形式の性能近似と有限ブロック長における強力な結果を達成し、低複雑度検出によりスケーラブルでエネルギー効率の高い性能を実現する。

ABSTRACT

In this work we treat the unsourced random access problem on a Rayleigh block-fading AWGN channel with multiple receive antennas. Specifically, we consider the slowly fading scenario where the coherence block-length is large compared to the number of active users and the message can be transmitted in one coherence block. Unsourced random access refers to a form of grant-free random access where users are considered to be a-priori indistinguishable and the receiver recovers a list of transmitted messages up to permutation. In this work we show that, when the coherence block length is large enough, a conventional approach based on the transmission of non-orthogonal pilot sequences with subsequent channel estimation and Maximum-Ratio-Combining (MRC) provides a simple energy-efficient solution whose performance can be well approximated in closed form. For the finite block-length simulations we use a randomly sub-sampled DFT matrix as pilot matrix, a low-complexity approximate message passing algorithm for activity detection and a state-of-the-art polar code as single-user error correction code with a successive-cancellation-list decoder. These simulations prove the scalability of the presented approach and the quality of the analysis.

研究の動機と目的

• ユーザーが区別不能であり、受信機が順列を除いてメッセージのリストを復元しなければならない massive MIMO システムにおける無元授権ランダムアクセス問題に対処すること。
• ゆっくりとした fading のレイリー定常 fading 系で動作する、ゲートフリー上行リンク伝送のための低複雑度でエネルギー効率の高いソリューションを設計すること。
• 実用的な符号化および検出技術を用いて、有限ブロック長領域におけるスケーラブルな性能を実現すること。
• 十分に長いコherencyブロック長の下で、提案手法の性能を閉形式で近似すること。
• 低複雑度の活性検出と最先端の極性符号を用いて、この手法の実現可能性とロバスト性を示すこと。

提案手法

• マスティブ MIMO ベースステーションにおけるユーザー識別およびチャネル推定のため、非直交性パイロットシーケンスを採用する。
• 受信機で最大比結合（MRC）を適用し、複数のアンテナからの信号をコherently結合することで、信号対雑音比を向上させる。
• 効率的で構造的なパイロット設計を可能にするために、ランダムに部分抽出された DFT 行列をパイロット行列として使用する。
• 共同ユーザー活性検出およびチャネル推定のための低複雑度の近似メッセージパッシング（AMP）アルゴリズムを実装する。
• 信頼性の高い単一ユーザー誤り訂正を実現するため、最先端の極性符号を逐次取消リストデコーディングと統合する。
• 長いコherencyブロック長を活用し、閉形式での正確な性能近似を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MRC結合を用いたパイロットベースの非直交性伝送方式は、レイリー定常 fading 系における massive MIMO システムで信頼性のある無元授権ランダムアクセスを達成できるか？
• RQ2 有限ブロック長領域において、アクティブユーザー数の増加に伴い、提案手法の性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ3 コherencyブロック長が十分に長い場合、システム性能をどの程度閉形式で近似できるか？
• RQ4 ランダムに部分抽出された DFT パイロット行列と低複雑度 AMP 検出の使用が、システム性能に与える影響は何か？
• RQ5 逐次取消リストデコーディングを用いた極性符号の統合は、この無元授権アクセス枠組みにおいて、信頼性の高いメッセージ復元を達成するためにどの程度有効か？

主な発見

• 提案手法は、有限ブロック長領域においてもスケーラブルな性能を達成し、アクティブユーザー数の増加に対してもロバストであることが示された。
• 十分に長いコherencyブロックが与えられた場合、システム性能は閉形式で良好に近似可能であり、解析的性能評価が可能になる。
• ランダムに部分抽出された DFT 行列をパイロット行列として使用することで、優れた相関特性を持つ効率的なパイロット設計が可能になった。
• 低複雑度の近似メッセージパッシングアルゴリズムにより、効果的な共同ユーザー活性検出およびチャネル推定が実現された。
• 逐次取消リストデコーディングを用いた極性符号の統合により、高い信頼性とほぼ最適な誤り訂正性能が確保された。
• 全体として、エネルギー効率とスケーラビリティを達成したため、massive ゲートフリー上行リンクアクセスに適している。