[論文レビュー] Throughput Analysis and User Barring Design for Uplink NOMA-Enabled Random Access

Wenjuan Yu, Chuan Heng Foh+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、周波数割り当ての多重化を用いて複数のデバイスが同じチャネル上で同時に送信を許可することにより、スペクトル効率とスループットを向上させる、上行リンクmMTC向けNOMAベースのランダムアクセス（NOMA-RA）方式を提案する。スループットを解析的にモデル化し、チャネルフィードバックに基づく適応的ユーザー遮断アルゴリズムを導入することで、バースト性のあるトラフィック条件下でも、従来のMS-ALOHAの3倍を超える最大スループットを達成する。

ABSTRACT

Being able to accommodate multiple simultaneous transmissions on a single channel, non-orthogonal multiple access (NOMA) appears as an attractive solution to support massive machine type communication (mMTC) that faces a massive number of devices competing to access the limited number of shared radio resources. In this paper, we first analytically study the throughput performance of NOMA-based random access (RA), namely NOMA-RA. We show that while increasing the number of power levels in NOMA-RA leads to a further gain in maximum throughput, the growth of throughput gain is slower than linear. This is due to the higher-power dominance characteristic in power-domain NOMA known in the literature. We explicitly quantify the throughput gain for the very first time in this paper. With our analytical model, we verify the performance advantage of the proposed NOMA-RA scheme by comparing with the baseline multi-channel slotted ALOHA (MS-ALOHA), with and without capture effect. Despite the higher-power dominance effect, the maximum throughput of NOMA-RA with four power levels achieves over three times that of the MS-ALOHA. However, our analytical results also reveal the sensitivity of load on the throughput of NOMA-RA. To cope with the potential bursty traffic in mMTC scenarios, we propose adaptive load regulation through a practical user barring algorithm. By estimating the current load based on the observable channel feedback, the algorithm adaptively controls user access to maintain the optimal loading of channels to achieve maximum throughput. When the proposed user barring algorithm is applied, simulations demonstrate that the instantaneous throughput of NOMA-RA always remains close to the maximum throughput confirming the effectiveness of our load regulation.

研究の動機と目的

• 高いスペクトル効率と低遅延のランダムアクセスを実現するmMTCにおける多数のデバイス同時アクセスの課題に対処する。
• 逐次干渉キャンセレーションを用いたパワー・ドメイン多重化下でのNOMAベースのランダムアクセス（NOMA-RA）のスループット性能を分析する。
• ネットワーク負荷を制御し、最適なチャネル利用度を維持するための適応的ユーザー遮断メカニズムを設計する。
• NOMA-RAが従来のMS-ALOHAに比べ、最大スループットおよびトラフィックのバースト性に対する耐性の面で優れていることを実証する。

提案手法

• 各チャネルごとにL個のパワー・レベルを想定し、ユーザーの送信をポisson到着過程としてモデル化する。
• チャネルiにアクセスするU_iユーザーが与えられた条件下での成功受信パケット数の期待値として、条件付きスループットを導出する。
• 最初のパワー干渉衝突イベントと、干渉がなくてもパワー・レベルが空いている状況を考慮して、空きチャネル確率を定式化する。
• 受信電力の順に信号を逐次干渉キャンセレーション（SIC）で復調することで、複数同時送信を可能にする。
• チャネルフィードバックから現在の負荷を推定し、最適な負荷を維持するようにアクセスを制御するユーザー遮断アルゴリズムを提案する。
• 解析的スループットモデルとシミュレーションを統合し、さまざまなトラフィック負荷下での性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMA-RAにおけるパワー・レベルの数が最大システムスループットに与える影響は何か？
• RQ2 キャプチャ効果を考慮した・しない場合に、NOMA-RAがベースラインのMS-ALOHAに比べて得る解析的スループット向上はどの程度か？
• RQ3 mMTCシナリオにおけるトラフィック負荷の変動に対して、NOMA-RAスループットはどの程度感度を示すか？
• RQ4 バースト性のあるトラフィック下でも、適応的ユーザー遮断アルゴリズムが近似的に最大スループットを維持できるか？
• RQ5 パワー・ドメインNOMAにおける高パワー優位性が、システム性能および負荷制御に与える影響は何か？

主な発見

• 4つのパワー・レベルを用いたNOMA-RAの最大スループットは、同じチャネル条件でもMS-ALOHAの3倍以上に達する。
• パワー・レベルを増加させることによるスループット向上は、パワー・ドメインNOMAにおける高パワー優位性の影響により、非線形的に増加する。
• 提案されたユーザー遮断アルゴリズムは、チャネルフィードバックに基づく動的アクセス制御により、瞬間的なスループットを理論的最大スループットに非常に近い位置に維持する。
• 空きチャネル確率モデルは、パワー干渉と利用可能な空きリソースのトレードオフを正確に捉えており、効果的な負荷推定を可能にする。
• シミュレーションにより、適応的ユーザー遮断機構がバースト性のあるトラフィック下でも性能を安定化させ、高負荷時におけるスループットの崩壊を防止できることを確認した。
• 解析的モデルは、スループット向上と負荷感度を効果的に定量的に評価できており、mMTCネットワークへの実用的導入の基盤を提供する。