[논문 리뷰] Short-Packet Communications for MIMO NOMA Systems over Nakagami-m Fading: BLER and Minimum Blocklength Analysis

Duc‐Dung Tran, Shree Krishna Sharma외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 나카가미-m fading 채널에서 MIMO NOMA 시스템을 위한 짧은 패킷 통신(SPC) 프레임워크를 제안하며, 블록 오류율(BLER)과 최소 블록 길이를 성능 지표로 사용한다. 두 가지 안테나-사용자 선택 방식인 HCS와 LCS를 도입하여, MIMO NOMA가 MIMO OMA보다 더 낮은 블록 길이와 완전한 다중성 이득을 확보함으로써 5G 및 그 이상의 네트워크에서 초고신뢰성·저지연 전송을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Recently, ultra-reliable and low-latency communications (URLLC) using short-packets has been proposed to fulfill the stringent requirements regarding reliability and latency of emerging applications in 5G and beyond networks. In addition, multiple-input multiple-output non-orthogonal multiple access (MIMO NOMA) is a potential candidate to improve the spectral efficiency, reliability, latency, and connectivity of wireless systems. In this paper, we investigate short-packet communications (SPC) in a multiuser downlink MIMO NOMA system over Nakagami-m fading, and propose two antenna-user selection methods considering two clusters of users having different priority levels. In contrast to the widely-used long data-packet assumption, the SPC analysis requires the redesign of the communication protocols and novel performance metrics. Given this context, we analyze the SPC performance of MIMO NOMA systems using the average block error rate (BLER) and minimum blocklength, instead of the conventional metrics such as ergodic capacity and outage capacity. More specifically, to characterize the system performance regarding SPC, asymptotic (in the high signal-to-noise ratio regime) and approximate closed-form expressions of the average BLER at the users are derived. Based on the asymptotic behavior of the average BLER, an analysis of the diversity order, minimum blocklength, and optimal power allocation is carried out. The achieved results show that MIMO NOMA can serve multiple users simultaneously using a smaller blocklength compared with MIMO OMA, thus demonstrating the benefits of MIMO NOMA for SPC in minimizing the transmission latency. Furthermore, our results indicate that the proposed methods not only improve the BLER performance but also guarantee full diversity gains for the respective users.

연구 동기 및 목표

• 초기 장기 패킷 용량 지표가 초고신뢰성 저지연 통신(URLLC) 시스템에서 한계를 보이는 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 에르고딕 용량 지표가 더 이상 유효하지 않은 나카가미-m fading 채널에서 다중 사용자 다운링크 MIMO NOMA의 짧은 패킷 성능을 분석하기 위해.
• 다른 우선순위 수준을 가진 이중 사용자 클러스터에 대해 HCS(High-priority Cluster Selection) 및 LCS(Low-priority Cluster Selection)라는 두 가지 안테나-사용자 선택 기반의 설계 및 평가를 위해.
• 신뢰성 및 지연을 정량화하기 위해 평균 BLER 및 최소 블록 길이에 대한 점점 가까운 폐쇄형 표현식을 점근적 및 근사적으로 유도하기 위해.
• 짧은 패킷 전송 제약 조건 하에서 다중성 이득 및 최적의 전력 할당 전략을 설정하기 위해.

제안 방법

• MIMO NOMA 시스템을 위한 두 가지 사용자 클러스터 기반 안테나-사용자 선택 방식인 HCS(High-priority Cluster Selection) 및 LCS(Low-priority Cluster Selection)를 제안한다.
• 통계적 채널 상태 정보를 이용하여 고·저우선순위 사용자 모두의 평균 BLER에 대해 점근적 및 근사 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 각 사용자에 대한 종단간 SNR 분포를 모델링하기 위해 유효 SNR 접근법과 모멘트 생성 기법(MGF)을 활용한다.
• BLER 표현식에서 발생하는 복잡한 적분을 평가하기 위해 변수 치환과 이항 전개를 적용하여 해석 가능한 성능 분석을 가능하게 한다.
• 짧은 패킷 조건 하에서 순차적 인터패턴 제거(SIC)의 영향을 모델링하기 위해 수정된 유효 SNR 지표를 도입한다.
• 고 SNR 조건에서 BLER의 점근적 행동을 기반으로 최소 블록 길이 표현식을 유도하여 지연 최적화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나카가미-m fading 채널에서 짧은 패킷 전송 조건 하에서 MIMO NOMA의 블록 오류율(BLER)은 어떻게 성능을 보이는가?
• RQ2 목표 BLER를 달성하기 위해 필요한 최소 블록 길이는 MIMO NOMA 시스템에서 얼마이며, MIMO OMA와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 제안된 안테나-사용자 선택 방식(HCS 및 LCS)이 짧은 패킷 MIMO NOMA 시스템에서 완전한 다중성 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ4 최적의 전력 할당은 짧은 패킷 MIMO NOMA에서 BLER 및 블록 길이 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 사용자 클러스터링과 SIC는 URLLC 시나리오에서 MIMO NOMA의 신뢰성 및 지연에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 HCS 및 LCS 방식은 고·저우선순위 사용자 모두에 대해 완전한 다중성 이득을 달성하여 깊은 페이딩에 대한 강건성을 입증한다.
• 동일한 목표 BLER 조건 하에서 MIMO NOMA는 MIMO OMA보다 더 낮은 최소 블록 길이를 확보하여 짧은 패킷 영역에서 뛰어난 지연 성능을 보임을 입증한다.
• 점근적 BLER 표현식은 각 사용자에 대해 min(m_H, m_L)의 다중성 순서를 보이며, 이는 각 사용자 채널의 나카가미-m 편파라미터에 따라 달라진다.
• 유도된 근사 폐쇄형 BLER 표현식은 매우 정확하며 고 SNR 조건에서 시뮬레이션 결과와 빠르게 수렴한다.
• 최적의 전력 할당은 특히 HCS 모드에서 고우선순위 사용자에 대해 BLER 성능을 크게 향상시킨다.
• 최소 블록 길이가 유효 SNR의 제곱에 반비례하여 증가함을 입증하여 신뢰성과 지연 간의 상충 관계를 확인한다.