[論文レビュー] Success Probability of Grant-Free Random Access with Massive MIMO

Jie Ding, Daiming Qu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、多数の機械間通信（mMTC）デバイスに対して高容量・低オーバーヘッドなアクセスを実現するため、マス・MIMOを用いた無許可ランダムアクセス（RA）を提案する。共役ビームフォーミング（CB）およびゼロフォースビームフォーミング（ZFB）の成功確率の解析的表現を導出し、マス・MIMOが1チャンネルあたり単一アンテナシステムと比較して最大100倍のRAユーザーをサポート可能であることを示している。128の直交プリアンブルと200本のアンテナを用いることで、成功確率はほぼ1に近づく。

ABSTRACT

Massive MIMO opens up new avenues for enabling highly efficient random access (RA) by offering abundance of spatial degrees of freedom. In this paper, we investigate the grant-free RA with massive MIMO and derive the analytic expressions of success probability of the grant-free RA for conjugate beamforming and zero-forcing beamforming techniques.With the derived analytic expressions, we further shed light on the impact of system parameters on the success probability. Simulation results verify the accuracy of the analyses. It is confirmed that the grant-free RA with massive MIMO is an attractive RA technique with low signaling overhead that could simultaneously accommodate a number of RA users, which is multiple times the number of RA channels, with close-to-one success probability. In addition, when the number of antennas in massive MIMO is sufficiently large, we show that the number of orthogonal preambles would dominate the success probability.

研究の動機と目的

• 従来のリクエスト-ゲートRAの限界を是正するため、高信号オーバーヘッドとアクセス遅延がスケーラビリティを妨げる大規模なマシンツーマシン（M2M）通信において、その課題を解決すること。
• マス・MIMOを用いた無許可RAが、低遅延かつ高信頼性で多数の断続的かつ短パケット通信を行うIoTデバイスをサポートできるかどうかを調査すること。
• マス・MIMOシステムにおける共役ビームフォーミング（CB）およびゼロフォースビームフォーミング（ZFB）の下で、成功確率の閉形式表現を導出すること。
• アンテナ数（M）、直交プリアンブル数（P）、ユーザー分布といった主要なシステムパラメータが成功確率に与える影響を定量化すること。
• 単一アンテナシステムおよび理想化されたユーザー分布（EUD）と比較して、マス・MIMOを用いた無許可RAの性能向上を評価すること。

提案手法

• レイリー faded 環境および空間相関を想定した大規模システム解析を用いて、無許可RAにおける成功確率の近似解析的表現を導出する。
• 基地局アンテナ数Mが非常に大きい場合の漸近的解析を適用し、チャネル硬化および大数の法則を活用して、干渉およびSINRの表現を簡略化する。
• マルチユーザー干渉を抑圧し、空間多重性を向上させるために、共役ビームフォーミング（CB）およびゼロフォースビームフォーミング（ZFB）を用いる。
• 成功確率を、任意のアクティブユーザーの信号対干渉加算ノイズ比（SINR）が閾値を超える確率としてモデル化する。
• ランダムユーザー分布と、ユーザーが完全にスケジューリングされる理想化された「包括的ユーザー分布」（EUD）の2つのユーザー分布モデルを検討する。
• 現実的なマス・MIMOおよびフェージング条件の下で、モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共役ビームフォーミング（CB）およびゼロフォースビームフォーミング（ZFB）を用いたマス・MIMOを用いた無許可RAの解析的成功確率は何か？
• RQ2 基地局アンテナ数（M）および直交プリアンブル数（P）は、成功確率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 単一アンテナシステムと比較して、マス・MIMOはチャネル再利用効率（η = Na/C）をどの程度向上できるか？
• RQ4 成功確率の観点から、マス・MIMOを用いた無許可RAは、理想化された包括的ユーザー分布（EUD）にどの程度近づけるか？
• RQ5 Mが十分に大きいとき、成功確率に支配的となるシステムパラメータはMかPのどちらか？

主な発見

• 200本のアンテナと128個の直交プリアンブルを用いる場合、95％の成功確率において、単一アンテナシステムと比較してチャネル再利用効率（η）が100倍向上する。
• RAユーザー数（Na）がRAチャネル数（C）の複数倍である場合、成功確率は1に近づくことが示され、高いスペクトル効率が実現されることを示している。
• Mが十分に大きい場合、直交プリアンブル数（P）が成功確率に支配的となり、プリアンブル設計が性能に大きく影響することが明らかになった。
• 基地局アンテナ数Mが増加するに従い、理想化された包括的ユーザー分布（EUD）との差が縮小する：M=1では1917％、M=400では16％にまで低下し、マス・MIMOではほぼ最適性能に近づくことが示された。
• 95％の成功確率かつP=128の場合、単一アンテナシステムと比較して、システムは約100倍高いηを達成し、スペクトル節約率が99％に達することが示された。
• CBおよびZFBの解析的成功確率表現は、空間相関のあるレイリー faded 環境下でもシミュレーションにより妥当性が確認され、高い精度を示した。