[논문 리뷰] Effective Capacity of NOMA with Finite Blocklength for Low-Latency Communications

Muhammad Amjad, Leila Musavian외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 22인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초고신뢰성·저지연 통신(URRLC)을 지원하기 위해 유한 블록길이 영역에서 두 사용자 비직교 다중접속(NOMA)의 폐쇄형 유효용량(EC) 분석을 제안한다. 레이일리 fading 채널을 모델링하고 전송 오류 확률 및 지연 위반 확률을 통합함으로써, 저자들은 신호대임계비(SNR), 지연 지수, 신뢰성 간의 상충관계를 드러내는 EC 표현식을 유도한다. 이는 높은 지연 지수도 오류 확률의 지배로 인해 임계값 이하에서는 지연 위반 확률을 향상시키지 못함을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the link-layer rate of a two-users non-orthogonal multiple access (NOMA) network in finite blocklength (short packet communications) regime, where the two users are paired from a set of V users. The overall reliability consists of the transmission error probability and the queuing delay violation probability. The performance of the two-users NOMA network in finite blocklength is verified for achieving latency and reliability, using the effective capacity (EC) framework. Specifically, we derive closed-form expressions for the EC of the two-users NOMA network in finite blocklength regime, considering transmissions over Rayleigh fading channels. We also study a multiuser NOMA network and derive the total EC of two-users NOMA subsets, and show that the NOMA set with users having distinct channel conditions achieve maximum total EC. Focusing on a two-users NOMA network, we study the impact of the transmit signal-to-noise ratio, delay exponent, and transmission error probability, on the achievable EC of each user. The analysis shows that when the delay exponent is high, the delay violation probability does not improve below a certain value due to the dominant factor of the transmission error probability. The accuracy of the proposed closed-form expressions for the individual EC of a two-users NOMA is verified using the Monte-Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 유한 블록길이 영역에서 저지연·초고신뢰성 통신을 위한 두 사용자 NOMA의 유효용량(EC)을 분석하기 위해.
• 전송 오류 확률과 큐잉 지연 위반의 병합 영향이 시스템 신뢰성에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 레이일리 fading 채널 조건 하에서 두 사용자 NOMA 쌍의 강한 사용자 및 약한 사용자에 대해 폐쇄형 EC 표현식을 유도하기 위해.
• 전송 SNR, 지연 지수, 오류 확률이 각 사용자 EC에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 다중 사용자 NOMA 네트워크에서 총 EC를 최대화하는 최적의 사용자 쌍화 전략을 규명하기 위해.

제안 방법

• 유한 블록길이 NOMA에서 지연 및 신뢰성 제약 조건 하에서 최대 지속 가능한 도착률을 측정하기 위해 유효용량(EC) 프레임워크를 적용한다.
• 약한 사용자의 채널 이득 분포를 위해 순서 통계와 일반화된 이항 전개를 사용하여 EC에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 두 사용자 NOMA 환경에서 송신기의 중첩 전송 인코딩(SC)과 수신기의 순차적 간섭 제거(SIC)를 분석에 통합한다.
• 유도된 폐쇄형 EC 표현식의 정확도를 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• EC 표현식에서 유도된 적분은 Ref. [29]에서 알려진 적분 항등식을 사용하여 해결되며, 특히 지수 적분 함수를 포함한다.
• 두 사용자 NOMA 서브셋의 총 EC를 분석하여, 채널 조건이 뚜렷이 다른 사용자를 쌍으로 조합할 경우 전체 EC가 최대화됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이일리 fading 조건 하에서, 레이일리 페이딩 조건 하에서 유한 블록길이 제약 조건 하에서 두 사용자 NOMA 쌍의 유효용량은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 전송 오류 확률이 무시할 수 없는 경우, 지연 지수가 지연 위반 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전송 SNR와 오류 확률이 함께 작용할 때 각 NOMA 사용자의 이행 가능한 EC에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 폐쇄형 표현식이 유한 블록길이 시스템에서 NOMA 사용자의 EC를 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ5 다중 사용자 NOMA 네트워크에서 총 유효용량을 최대화하는 사용자 쌍화 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 두 사용자 NOMA의 강한 사용자 및 약한 사용자에 대한 유효용량 폐쇄형 표현식은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 높은 정확도를 확인하였다.
• 지연 지수가 높을 경우, 오류 확률의 지배적 영향으로 인해 지연 위반 확률은 일정 임계값 이하에서는 향상되지 않는다.
• 두 사용자 NOMA 서브셋의 총 유효용량은 채널 이득이 상이한 사용자를 쌍으로 조합할 경우 최대화된다.
• 고 SNR 영역에서 약한 사용자의 유효용량은 시스템의 오류 확률과 지연 제약 조건에 의해 결정되는 값으로 수렴한다.
• 유효용량 프레임워크는 유한 블록길이 NOMA 시스템에서 물리계층 오류와 큐잉 지연의 병합 영향을 성공적으로 포괄한다.
• 일반화된 이항 전개와 적분 항등식의 활용은 복잡한 페이딩 및 간섭 조건 하에서도 유효용량에 대한 해석 가능한 폐쇄형 표현식 유도를 가능하게 한다.