[논문 리뷰] Grant-Free Massive NOMA: Outage Probability and Throughput

Rana Abbas, Mahyar Shirvanimoghaddam외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 33인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 저지연, 대량의 기계간 통신을 위한 보증 없음 대량 NOMA 기법을 제안한다. 이 기법은 장치들이 무작위로 파ilot 시퀀스를 선택하고 동시에 데이터를 전송하여 충돌을 일으키며, 이를 간섭으로 간주한다. 후속 간섭 제거(SIC)와 후속 공동 디코딩(SJD)을 사용하여, 비상황 확률과 최대 이론적 전송률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하였으며, 낮은 하중 조건에서 SIC와 유사한 비상황 성능을 보이지만, 전송률에서는 SJD가 훨씬 뛰어나다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we consider a massive uncoordinated non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme where devices have strict latency requirements and no retransmission opportunities are available. Each device chooses a pilot sequence from a predetermined set as its signature and transmits its selected pilot and data simultaneously. A collision occurs when two or more devices choose the same pilot sequence. Collisions are treated as interference to the remaining received signals. We consider successive joint decoding (SJD) and successive interference cancellation (SIC) under a Rayleigh fading and path loss channel model. We first derive the expression for the outage probability for the case where devices transmit at the same fixed rate. Then, we derive the expression for the maximum achievable throughput for the case where devices transmit with rateless codes. Thus, their code rate is adaptive to the system conditions, i.e., load, received powers, and interference. Numerical results verify the accuracy of our analytical expressions. For low data rate transmissions, results show that SIC performs close to that of SJD in terms of outage probability for packet arrival rates up to 10 packets per slot. However, SJD can achieve almost double the throughput of SIC and is, thus, far more superior.

연구 동기 및 목표

• 높은 제어 오버헤드로 인해 대량 기계간 통신(mMTC)에서 공유 접근의 비효율성을 해결하기 위해.
• 재전송 없이 저지연, 저복잡도 mMTC에 적합한 보증 없음, 비협조적 NOMA 기법을 설계하기 위해.
• 랜덤 파ilot 접근과 충돌 간섭 조건 하에서 레이일리 fading 및 경로 손실 채널에서 SIC와 SJD의 성능을 분석하기 위해.
• 고정 속도 및 비고정 속도 코드 전송 조건 하에서 비상황 확률과 최대 이론적 전송률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출하기 위해.

제안 방법

• 장치들이 사전 정의된 집합에서 파ilot 시퀀스를 선택하고 동시에 데이터를 전송하며, 충돌은 간섭으로 간주한다.
• 다수의 활성 장치가 존재하는 레이일리 페이딩 및 경로 손실 채널에서의 업링크 전송을 모델링한다.
• SIC와 SJD를 사용한 고정 속도 전송에 대한 비상황 확률을 유도하였으며, 포함-배제 원리와 포아송 근사법을 통해 정확한 표현식을 도출하였다.
• SJD를 사용한 비고정 속도 코드 전송에 대한 전송률을 분석하였으며, 확률적 기하학과 모멘트 생성 함수 기법을 통해 최대 이론적 전송 속도를 유도하였다.
• 충돌한 사용자로부터 온 간섭을 고려하고 간섭 전력의 특성 함수를 사용하여 폐쇄형 표현식을 유도하였다.
• 수치적 결과는 분석 표현식의 타당성을 검증하였으며, 특히 고부하 및 대량 액세스 조건에서 높은 정확도를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저부하에서 중간 부하까지의 범위에서 보증 없음 대량 NOMA 시스템에서 SIC의 비상황 확률은 SJD와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 비고정 속도 코드를 사용한 보증 없음 대량 NOMA 시스템에서 후속 공동 디코딩(SJD)을 사용할 경우 최대 이론적 전송률은 얼마인가?
• RQ3 SIC와 SJD의 성능은 시스템 부하와 간섭 증가에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 충돌 유도 간섭은 비협조적 NOMA의 신뢰성과 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 랜덤 파ilot 접근 조건 하에서 레이일리 페이딩 및 경로 손실 조건에서 비상황 확률과 전송률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 저속도 전송 조건에서는 SIC가 SJD와 거의 유사한 비상황 성능을 1슬롯당 10패킷 이하의 하중에서 확보하며, 중간 하중 조건에서 유사한 신뢰성을 보여준다.
• SJD는 SIC의 거의 두 배의 전송률을 확보하여 고부하 환경에서 뛰어난 스펙트럼 효율성을 입증한다.
• 비상황 확률과 전송률에 대한 분석 표현식은 수치적 결과를 통해 검증되었으며, 다양한 시스템 하중 조건에서 정확도를 확인하였다.
• 대량 액세스 조건에서는 싱글턴 레이어의 평균 수가 점점 커지며, 순서 정렬된 수신 전력의 결정론적 수렴이 가능해진다.
• 대량 액세스 환경에서 SJD의 유도된 비상황 확률은 간섭 전력에만 의존하며, 이는 시스템 분석을 단순화시킨다.
• 비고정 속도 코드의 사용은 적응형 전송 속도를 가능하게 하여, 동적 채널 및 부하 조건에서 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.