[논문 리뷰] Semi-Grant-Free NOMA: A Stochastic Geometry Model

Chao Zhang, Yuanwei Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전력 도메인 NOMA를 통해 실시간 채널 상태에 기반해 Grant-Free (GF) 사용자를 지능적으로 선택함으로써, 대규모 IoT 네트워크에서 업링크 스펙트럼 효율성을 향상시키고 충돌을 줄이기 위해 동적일부Grant-Free (semi-GF) NOMA 프로토콜을 제안한다. 공간적 사용자 분포를 모델링하기 위해 확률 기하학을 사용한 동적 프로토콜은 채널 품질 임계값을 적응적으로 조정함으로써 오픈-루프 기준 대비 GF 사용자 간섭을 크게 감소시키고, 근거리 사용자 및 원거리 사용자 시나리오 모두에서 아웃리지 성능과 다중성 이득을 향상시킨다.

ABSTRACT

Grant-free (GF) transmission holds promise in terms of low latency communication by directly transmitting messages without waiting for any permissions. However, collision situations may frequently happen when limited spectrum is occupied by numerous GF users. The non-orthogonal multiple access (NOMA) technique can be a promising solution to achieve massive connectivity and fewer collisions for GF transmission by multiplexing users in power domain. We utilize a semi-grant-free (semi-GF) NOMA scheme for enhancing network connectivity and spectral efficiency by enabling grant-based (GB) and GF users to share the same spectrum resources. With the aid of semi-GF protocols, uplink NOMA networks are investigated by invoking stochastic geometry techniques. We propose a novel extit{dynamic protocol} to interpret which part of the GF users are paired in NOMA transmissions via transmitting various channel quality thresholds by an added handshake. We utilize open-loop protocol with a fixed average threshold as the benchmark to investigate performance improvement. It is observed that dynamic protocol provides more accurate channel quality thresholds than open-loop protocol, thereby the interference from the GF users is reduced to a large extent. We analyze the outage performance and diversity gains under two protocols. Numerical results demonstrate that dynamic protocol is capable of enhancing the outage performance than open-loop protocol.

연구 동기 및 목표

• 5G IoT 네트워크에서 대규모 장치 접근으로 인한 Grant-Free (GF) 업링크 전송의 높은 충돌 위험을 해결하기 위해.
• 일부Grant-Free (semi-GF) 접근 방식을 통합하여 GF-NOMA 시스템의 스펙트럼 효율성을 향상시키고 간섭을 줄이기 위해.
• 공간 랜덤성 하에서 확률 기하학 기법을 사용해 업링크 NOMA 성능을 모델링하고 분석하기 위해.
• GF 사용자 및 Grant-Based (GB) 사용자 모두의 아웃리지 확률과 다중성 이득 측면에서 동적 프로토콜과 오픈-루프 프로토콜을 비교하기 위해.
• GB 사용자를 근거리 사용자로, GF 사용자를 근거리 사용자로 하는 두 가지 SIC 순서 정렬 시나리오 하에서 아웃리지 성능 및 다중성 이득에 대한 해석적 표현을 유도하기 위해.

제안 방법

• 사용자들의 공간 랜덤성을 포착하기 위해 동질적 포아송 점 프로세스 (HPPP)를 사용해 업링크 일부Grant-Free (semi-GF) NOMA 네트워크를 모델링한다.
• 실시간 채널 상태에 기반해 GF 사용자를 선택하기 위해 가변 채널 품질 임계값을 전송하는 새로운 동적 경쟁 제어 프로토콜을 제안한다.
• 확률 기하학을 활용해 두 가지 시나리오 하에서 아웃리지 확률과 다중성 이득에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다: GB 사용자가 근거리 사용자로, GF 사용자가 근거리 사용자로 정렬된 경우 (시나리오 I) 및 GF 사용자가 근거리 사용자로 정렬된 경우 (시나리오 II).
• 사용자 위치와 채널 이득에 기반한 두 가지 다른 SIC 순서를 사용해 연속 간섭 제거 (SIC)를 구현함으로써 해석적 성능 평가를 가능하게 한다.
• 수치적 검증을 통해 고정 평균 임계값을 가진 오픈-루프 프로토콜을 벤치마크로 삼아 동적 프로토콜과 비교한다.
• 고신호대역비 (high-SNR) 영역에서 시뮬레이션을 통해 검증된 점근적 및 근사 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일부Grant-Free (semi-GF) NOMA에서 동적 임계값 적응이 고정 임계값 오픈-루프 프로토콜에 비해 아웃리지 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 기지국으로부터의 사용자 위치 분포 (근거리 vs. 원거리)가 일부Grant-Free (semi-GF) NOMA에서 아웃리지 확률과 다중성 이득에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 다양한 액세스 임계값은 업링크 NOMA에서 GF 및 GB 사용자의 간섭과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 일부Grant-Free (semi-GF) NOMA에서 다양한 SIC 순서 정렬 전략 하에서 아웃리지 확률과 다중성 이득에 대한 해석적 표현식은 무엇인가?
• RQ5 동적 프로토콜은 오픈-루프 프로토콜 대비 GF 사용자로부터의 간섭을 얼마나 감소시키는가?

주요 결과

• 동적 프로토콜은 실시간 채널 상태에 기반해 채널 품질 임계값을 적응적으로 조정함으로써 GF 사용자 간섭을 크게 감소시킨다.
• 특히 고신호대역비 영역에서 오픈-루프 프로토콜 대비 동적 프로토콜에서 아웃리지 성능이 향상된다.
• 시나리오 I (GB 사용자가 근거리 사용자로 정렬됨) 및 시나리오 II (GF 사용자가 근거리 사용자로 정렬됨) 모두에서 다중성 이득은 SIC 순서에 의해 결정되며, 근거리 사용자에 대해서는 1, 원거리 사용자에 대해서는 0이다.
• 내부 링 반경 $R_1$ 증가 시 대규모 fading 향상으로 인해 아웃리지 확률 감소, 외부 링 반경 $R_2$ 증가 시 간섭 감소 및 성능 향상이 발생한다.
• GF 사용자에 대한 아웃리지 임계값 $R_{GF}$ 를 낮추면 GB 사용자의 아웃리지 성능 향상이 발생하지만, $R_{GB}$ 를 감소시키면 GB 사용자의 오차 평면이 증가한다.
• 두 시나리오 모두에서 아웃리지 확률에 대한 해석적 결과는 시뮬레이션 결과와 완벽하게 일치하여 유도된 표현식과 점근적 근사치의 타당성을 검증한다.