[논문 리뷰] Pilot-Based Unsourced Random Access with a Massive MIMO Receiver, MRC and Polar Codes.

Alexander Fengler, Peter Jung외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 06.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 레이일리 블록 fading 채널에서 다량의 MIMO 업링크 시스템을 대상으로 비정규화된 파ilot 기반의 무소스 랜덤 액세스 방식을 제안한다. 비정규화된 파일럿, 최대비율 수신(MRC) 복합, 그리고 순차적 취소 리스트 디코딩을 이용한 펄스 코드를 사용한다. 충분히 긴 코herence 블록을 가질 경우, 이 방식은 저복잡도 검출을 통해 닫힌 형태의 성능 근사와 유한 블록길이에서 강력한 성능 결과를 보이며 스케일러블하고 에너지 효율적인 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this work we treat the unsourced random access problem on a Rayleigh block-fading AWGN channel with multiple receive antennas. Specifically, we consider the slowly fading scenario where the coherence block-length is large compared to the number of active users and the message can be transmitted in one coherence block. Unsourced random access refers to a form of grant-free random access where users are considered to be a-priori indistinguishable and the receiver recovers a list of transmitted messages up to permutation. In this work we show that, when the coherence block length is large enough, a conventional approach based on the transmission of non-orthogonal pilot sequences with subsequent channel estimation and Maximum-Ratio-Combining (MRC) provides a simple energy-efficient solution whose performance can be well approximated in closed form. For the finite block-length simulations we use a randomly sub-sampled DFT matrix as pilot matrix, a low-complexity approximate message passing algorithm for activity detection and a state-of-the-art polar code as single-user error correction code with a successive-cancellation-list decoder. These simulations prove the scalability of the presented approach and the quality of the analysis.

연구 동기 및 목표

• 사용자가 구분되지 않으며 수신기가 순서가 뒤섞인 메시지 목록을 복원해야 하는 다량의 MIMO 시스템에서의 무소스 랜덤 액세스 문제를 해결한다.
• 천천히 변하는 레이일리 블록 fading 채널에서 승인 없음 업링크 전송을 위한 저복잡도이고 에너지 효율적인 해법을 설계한다.
• 실용적인 코딩 및 검출 기법을 사용하여 유한 블록길이 영역에서 스케일러블 성능을 달성한다.
• 긴 코herence 블록에서 제안된 방식의 성능 근사를 닫힌 형태로 제공한다.
• 저복잡도 활동 검출과 최신 기술의 펄스 코드를 활용하여 이 방식의 실현 가능성과 강건성을 입증한다.

제안 방법

• 다량의 MIMO 기지국에서 사용자 식별 및 채널 추정을 위해 비정규화된 파일럿 시퀀스를 사용한다.
• 수신기에서 최대비율 수신(MRC)을 적용하여 다수의 안테나에서 온 신호를 일관적으로 복합화함으로써 신호 대 잡음비를 향상시킨다.
• 효율적이고 구조적인 파일럿 설계를 가능하게 하기 위해 무작위로 부분 추출된 DFT 행렬을 파일럿 행렬로 사용한다.
• 일괄적인 사용자 활동 검출 및 채널 추정을 위한 저복잡도 근사 메시지 전달(AMP) 알고리즘을 구현한다.
• 신뢰할 수 있는 단일 사용자 오류 수정을 위해 최신 기술의 펄스 코드와 순차적 취소 리스트 디코딩을 통합한다.
• 긴 코herence 블록 길이를 활용하여 닫힌 형태로 정확한 성능 근사를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MRC 복합을 사용하는 비정규화된 전송 방식의 파일럿 기반 방식이 레이일리 블록 fading 채널에서 다량의 MIMO 시스템에서 신뢰할 수 있는 무소스 랜덤 액세스를 달성할 수 있는가?
• RQ2 유한 블록길이 조건에서 활성 사용자 수가 증가함에 따라 제안된 방식의 성능가 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 코herence 블록 길이가 클 경우 성능이 닫힌 형태로 어느 정도 근사될 수 있는가?
• RQ4 무작위로 부분 추출된 DFT 파일럿 행렬과 저복잡도 AMP 검출이 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 순차적 취소 리스트 디코딩을 통합한 펄스 코드의 통합이 이 무소스 액세스 프레임워크에서 신뢰성 있는 메시지 복원을 달성하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 제안된 방식은 유한 블록길이 영역에서 스케일러블 성능을 달성하며, 활성 사용자 수 증가에 대해 강건함을 보였다.
• 충분히 긴 코herence 블록을 가질 경우 시스템 성능는 닫힌 형태로 잘 근사될 수 있어 분석적 성능 평가가 가능하다.
• 무작위로 부분 추출된 DFT 행렬을 파일럿 행렬로 사용함으로써 유리한 상관성 특성을 지닌 효율적인 파일럿 설계가 가능하다.
• 저복잡도 근사 메시지 전달 알고리즘이 효과적인 일괄 사용자 활동 검출 및 채널 추정을 가능하게 한다.
• 순차적 취소 리스트 디코딩을 통합한 펄스 코드의 통합은 높은 신뢰성과 거의 최적의 오류 수정 성능을 보장한다.
• 전반적인 시스템은 에너지 효율성과 스케일러비리티를 확보하여 다량의 승인 없음 업링크 액세스에 적합하다.