[論文レビュー] Short-Packet Communications for MIMO NOMA Systems over Nakagami-m Fading: BLER and Minimum Blocklength Analysis

Duc‐Dung Tran, Shree Krishna Sharma+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、Nakagami-m fadingチャネル上でのMIMO NOMAシステムにおける短パケット通信（SPC）フレームワークを提案し、ブロック誤り率（BLER）および最小ブロック長を性能指標として用いる。2つのアンテナ-ユーザー選択方式（HCSおよびLCS）を導入し、MIMO NOMAがMIMO OMAに比べてより低いブロック長と完全な分岐増益を達成できることを示し、5G以降のネットワークにおける超信頼性・低遅延通信を実現可能とする。

ABSTRACT

Recently, ultra-reliable and low-latency communications (URLLC) using short-packets has been proposed to fulfill the stringent requirements regarding reliability and latency of emerging applications in 5G and beyond networks. In addition, multiple-input multiple-output non-orthogonal multiple access (MIMO NOMA) is a potential candidate to improve the spectral efficiency, reliability, latency, and connectivity of wireless systems. In this paper, we investigate short-packet communications (SPC) in a multiuser downlink MIMO NOMA system over Nakagami-m fading, and propose two antenna-user selection methods considering two clusters of users having different priority levels. In contrast to the widely-used long data-packet assumption, the SPC analysis requires the redesign of the communication protocols and novel performance metrics. Given this context, we analyze the SPC performance of MIMO NOMA systems using the average block error rate (BLER) and minimum blocklength, instead of the conventional metrics such as ergodic capacity and outage capacity. More specifically, to characterize the system performance regarding SPC, asymptotic (in the high signal-to-noise ratio regime) and approximate closed-form expressions of the average BLER at the users are derived. Based on the asymptotic behavior of the average BLER, an analysis of the diversity order, minimum blocklength, and optimal power allocation is carried out. The achieved results show that MIMO NOMA can serve multiple users simultaneously using a smaller blocklength compared with MIMO OMA, thus demonstrating the benefits of MIMO NOMA for SPC in minimizing the transmission latency. Furthermore, our results indicate that the proposed methods not only improve the BLER performance but also guarantee full diversity gains for the respective users.

研究の動機と目的

• 超信頼性低遅延通信（URLLC）システムにおいて、従来の長パケット容量指標の限界を解消すること。
• 従来のエルゴード容量指標がもはや有効でない、Nakagami-mフェージング下におけるマルチユーザー下行リンクMIMO NOMAにおける短パケット性能を分析すること。
• 異なる優先度を持つ2段階のユーザークラスタを想定し、HCS（高優先度クラスタ選択）およびLCS（低優先度クラスタ選択）の2つのアンテナ-ユーザー選択方式の設計と評価を行うこと。
• 平均BLERおよび最小ブロック長の漸近的・近似閉形式表現を導出することで、信頼性および遅延を定量的に評価すること。
• 短パケット伝送制約下での分岐増益および最適なパワー割り当て戦略を確立すること。

提案手法

• MIMO NOMAシステムにおける2つのユーザークラスタベースのアンテナ-ユーザー選択方式（HCSおよびLCS）を提案する。
• 統計的チャネル状態情報（CSI）を用いて、高優先度および低優先度ユーザーにおける平均BLERの漸近的および近似閉形式表現を導出する。
• エフェクティブSNRアプローチおよびモーメント生成関数（MGF）に基づく手法を用い、各ユーザーのエンドツーエンドSNR分布をモデル化する。
• 変数変換および二項定理を用いて、BLER表現に由来する複雑な積分を評価し、解析の tractability（取り扱いやすさ）を向上させる。
• 短パケット条件下における逐次干渉キャンセレーション（SIC）の影響をモデル化するため、修正されたエフェクティブSNR指標を導入する。
• 高SNRにおけるBLERの漸近的挙動に基づき、最小ブロック長の表現を導出し、遅延最適化を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nakagami-mフェージングチャネル上での短パケット伝送におけるMIMO NOMAのブロック誤り率（BLER）は、どのように変化するか？
• RQ2 MIMO NOMAシステムで所定のBLERを達成するために必要な最小ブロック長は何か？ また、MIMO OMAと比較してどう異なるか？
• RQ3 提案されたアンテナ-ユーザー選択方式（HCSおよびLCS）は、短パケットMIMO NOMAシステムで完全な分岐増益を達成できるか？
• RQ4 最適なパワー割り当ては、短パケットMIMO NOMAにおけるBLERおよびブロック長性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ユーザークラスタリングおよびSICの影響は、URLLCシナリオにおけるMIMO NOMAの信頼性および遅延にどのように現れるか？

主な発見

• 提案されたHCSおよびLCS方式は、高優先度および低優先度ユーザーの両方で完全な分岐増益を達成しており、深フェージングに対する耐性が確認された。
• 同じ目標BLERを達成する条件下で、MIMO NOMAはMIMO OMAに比べてより低い最小ブロック長を達成しており、短パケット領域における優れた遅延性能を示している。
• 漸近的BLER表現から、各ユーザーの分岐次数がmin(m_H, m_L)に等しくなることが明らかになった。これは、それぞれのチャネルのNakagami-mフェージングパラメータに依存する。
• 導出された近似閉形式BLER表現は非常に精度が高く、特に高SNR領域でシミュレーション結果に収束する。
• 最適なパワー割り当ては、特にHCSモードにおける高優先度ユーザーのBLER性能を顕著に向上させる。
• 最小ブロック長がエフェクティブSNRの二乗に反比例して変化することが示され、信頼性と遅延のトレードオフが裏付けられた。