[論文レビュー] Rate Splitting Multiple Access for Semi-Grant-Free Transmissions

Hongwu Liu, Theodoros A. Tsiftsis+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、マスィブなIoTネットワークにおける準グラントフリーファイアーアクセス（SGF）送信のためのレートスプリット多重アクセス（RSMA）方式を提案する。このRSMA-SGF方式は、品質保証（QoS）を維持しつつ、耐障害性に優れ、エネルギー効率の高いグラントフリーファイアーアクセス（GF）を可能にするとともに、従来のNOMAベースのSGF手法と比較して、停電確率を顕著に低減する。RSMA-SGF方式は、完全なマルチユーザー多様性利得を達成し、目標データレートに制約を課さずに停電フロアを排除する。

ABSTRACT

Enabled by hybrid grant-based (GB) and grant-free (GF) transmission techniques, GF users of internet of things (IoT) devices and massive machine-type communications (mMTC) meet opportunities to share wireless resources with GB users. In this paper, we propose a rate splitting multiple access (RSMA) strategy for an emerging semi-grant-free (SGF) transmission system to increase connectivity and reliability. In the proposed RSMA assisted SGF (RSMA-SGF) scheme, the GF users apply the rate splitting principle to realize distributed contentions and utilize transmit power most effectively for robust transmissions, meanwhile keeping themselves transparent to the GB user. Compared to existing non-orthogonal multiple access (NOMA) assisted SGF schemes, the RSMA-SGF scheme significantly decreases outage probability and achieves full multiuser diversity gain without restricting the GB and GF users' target rates to a limited value region. Exact expressions and asymptotic analysis for the outage probability are provided to facilitate the system performance evaluation of the proposed RSMA-SGF scheme. Computer simulation results clarify the superior outage performance of the RSMA-SGF scheme and verify the accuracy of the developed analytical results.

研究の動機と目的

• 従来の非直交多重アクセス（NOMA）ベースの準グラントフリー（SGF）方式に見られる停電フロアや厳しいデータレート制約といった限界を是正すること。
• 既存のグラントベース（GB）ユーザーのQoSを維持しつつ、マスィブなIoTデバイスにおける耐障害性に優れ、エネルギー効率の高いグラントフリー（GF）アクセスを実現すること。
• GBおよびGFユーザーの目標データレートに制限を課すことなく、GF送信における停電フロアを排除すること。
• 高度な多重アクセス設計により、SGFシステムにおける完全なマルチユーザー多様性利得を達成すること。

提案手法

• RSMA-SGF方式はGFユーザーにレートスプリットを適用し、分散型の競合制御と信頼性の高い送信に最適なパワー利用を可能にする。
• GBユーザーに対して透過的であるように設計されており、そのシステム性能が直交多重アクセス（OMA）と同等になるように保証される。
• 干渉を効果的に管理し、信頼性を向上させるために、ハイブリッド逐次干渉キャンセレーション（SIC）のデコード順序とパワー割り当てを採用する。
• 統計的チャネル状態情報（CSI）とNakagami-m fadingモデルを用いて、正確かつ漸近的な停電確率の式を導出する。
• GBユーザーのデータレートおよびパワー制約を組み込み、OMAと同等の性能を確保する。
• 高SNR領域における近似式を導出し、多様性利得および停電フロアの挙動を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RSMAは、準グラントフリー（SGF）送信に効果的に適用可能であり、停電性能を向上させ、停電フロアを排除できるか？
• RQ2 RSMA-SGF方式は、GBおよびGFユーザーにレート制約を課すことなく、完全なマルチユーザー多様性利得を達成できるか？
• RQ3 RSMA-SGF方式の停電確率は、NOMAベースのSGF方式と比較して、信号対雑音比（SNR）の変化にどのように応答するか？
• RQ4 送信パワー割り当ておよびSICデコード順序が、RSMA-SGFにおけるGFユーザーの信頼性に与える影響は何か？
• RQ5 提案手法は、OMAと同等のGBユーザー性能を維持しつつ、マスィブなGFアクセスをサポートできるか？

主な発見

• RSMA-SGF方式は完全なマルチユーザー多様性利得を達成し、SNRの増加に伴い性能が向上し、誤りフロアが生じない。
• 特に高SNR領域において、従来のNOMAベースのSGF方式と比較して、停電確率が顕著に低減されている。
• GBおよびGFユーザーの目標データレートに制限を課さない状況でも、停電フロアが排除される。これに対して、NOMA-SGFはこうした制限に起因する問題を抱える。
• 漸近的解析により、高SNR領域で停電確率が $\frac{\epsilon_{\rm F}}{P_{\rm F}}$ のオーダーで減少することが確認され、良好な多様性挙動を示す。
• シミュレーション結果は、解析式の妥当性を検証し、全SNR領域においてRSMA-SGFの優れた停電性能を示している。
• 高SNR近似式から、レートスプリットおよびパワー制御による効果的な干渉管理のおかげで、停電フロアが消失することが明らかになった。