[논문 리뷰] Rate Splitting Multiple Access for Semi-Grant-Free Transmissions

Hongwu Liu, Theodoros A. Tsiftsis외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 대규모 IoT 네트워크에서 준보상 없는(Grant-Free, GF) 전송을 위한 Rate Splitting Multiple Access (RSMA) 기반의 반보상 없는(Semi-Grant-Free, SGF) 전송 방식을 제안한다. 이는 기존의 보상 기반(Grant-Based, GB) 사용자의 품질을 유지하면서도 강인하고 전력 효율적인 GF 접근을 가능하게 하며, 오류율 상한이 없는 다중 사용자 다각도 성능을 달성한다. RSMA-SGF 방식은 목표 데이터율 제약 없이 전체 다중 사용자 다각도 성능을 확보하고, 기존의 NOMA 기반 SGF 접근 방식보다 상당히 낮은 오류율을 달성한다.

ABSTRACT

Enabled by hybrid grant-based (GB) and grant-free (GF) transmission techniques, GF users of internet of things (IoT) devices and massive machine-type communications (mMTC) meet opportunities to share wireless resources with GB users. In this paper, we propose a rate splitting multiple access (RSMA) strategy for an emerging semi-grant-free (SGF) transmission system to increase connectivity and reliability. In the proposed RSMA assisted SGF (RSMA-SGF) scheme, the GF users apply the rate splitting principle to realize distributed contentions and utilize transmit power most effectively for robust transmissions, meanwhile keeping themselves transparent to the GB user. Compared to existing non-orthogonal multiple access (NOMA) assisted SGF schemes, the RSMA-SGF scheme significantly decreases outage probability and achieves full multiuser diversity gain without restricting the GB and GF users' target rates to a limited value region. Exact expressions and asymptotic analysis for the outage probability are provided to facilitate the system performance evaluation of the proposed RSMA-SGF scheme. Computer simulation results clarify the superior outage performance of the RSMA-SGF scheme and verify the accuracy of the developed analytical results.

연구 동기 및 목표

• 기존의 비직교 다중접근(NOMA) 기반 반보상 없는(SGF) 접근 방식이 오류율 상한과 엄격한 데이터율 제약을 야기하는 한계를 해결하기 위해.
• 이미 존재하는 보상 기반(GB) 사용자의 품질을 유지하면서 대규모 IoT 기기의 강인하고 전력 효율적인 GF 접근을 가능하게 하기 위해.
• GB 및 GF 사용자의 목표 데이터율 제약 없이 GF 전송에서 오류율 상한을 제거하기 위해.
• 고도화된 다중접근 설계를 통해 SGF 시스템에서 전체 다중 사용자 다각도 성능을 달성하기 위해.

제안 방법

• RSMA-SGF 방식은 GF 사용자에게 레이트 스플릿팅을 적용하여 분산된 경쟁과 신뢰할 수 있는 전송을 위한 최적의 전력 활용을 가능하게 한다.
• GB 사용자에게 투명성을 유지하기 위해, 그들의 시스템 성능이 직교 다중접근(OMA)과 동일하게 유지되도록 보장한다.
• 혼합 순차적 인터패런스 제거(SIC) 복호화 순서와 전력 배분을 사용하여 간섭을 관리하고 신뢰성을 향상시킨다.
• 통계적 채널 상태 정보(CSI)와 나카가미-m fading 모델을 사용하여 정확한 및 점 渐진적 오류율 표현식을 유도한다.
• GB 사용자 데이터율 및 전력 제약을 통합하여 OMA와의 성능 동등성을 확보한다.
• 고신호 대 잡음비(SNR) 근사식을 유도하여 다각도 성능 및 오류율 상한 행동을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RSMA는 반보상 없는(SGF) 전송에 효과적으로 적용될 수 있는가? 오류율 성능 향상과 오류율 상한 제거에 기여하는가?
• RQ2 RSMA-SGF 방식은 GB 및 GF 사용자에 대한 데이터율 제약 없이 전체 다중 사용자 다각도 성능을 달성하는가?
• RQ3 RSMA-SGF의 오류율은 신호 대 잡음비(SNR)에 따라 NOMA 기반 SGF 방식과 비교해 어떻게 변화하는가?
• RQ4 전송 전력 배분 및 SIC 복호화 순서는 RSMA-SGF에서 GF 사용자의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 방식은 대규모 GF 접근을 지원하면서도 GB 사용자의 성능을 OMA 수준으로 유지할 수 있는가?

주요 결과

• RSMA-SGF 방식은 전체 다중 사용자 다각도 성능을 달성하여, 오류율 상한 없이 신호 대 잡음비(SNR) 증가에 따라 성능이 향상된다.
• 특히 고신호 대 잡음비(SNR) 영역에서 기존의 NOMA 기반 SGF 접근 방식보다 오류율이 상당히 감소한다.
• GB 및 GF 사용자에 대한 목표 데이터율 제약 없이도 오류율 상한이 제거되며, 이는 NOMA-SGF가 이러한 제약을 야기하는 것과는 대조된다.
• 점 渐진적 분석을 통해 고신호 대 잡음비에서 오류율이 $\frac{\epsilon_{\rm F}}{P_{\rm F}}$ 비례함을 확인하여 유리한 다각도 행동을 입증한다.
• 시뮬레이션 결과는 분석식의 타당성을 검증하고, 모든 SNR 영역에서 RSMA-SGF의 뛰어난 오류율 성능을 입증한다.
• 유도된 고신호 대 잡음비 근사식은 레이트 스플릿팅과 전력 제어를 통한 효과적인 간섭 관리로 인해 오류율 상한이 사라짐을 보여준다.