[論文レビュー] Coded Pilot Access: A Random Access Solution for Massive MIMO Systems

Jesper H. Sørensen, Elisabeth de Carvalho+2 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、オрトゴナルスケジューリングが非現実的となる群衆シナリオにおけるマスィブMIMOシステム向けに、新しいランダムアクセスプロトコルであるCoded Pilot Access（CPA）を提案する。漸近的チャネル直交性およびパワー不変性を活用し、パイロット干渉をグラフ符号としてモデル化し、最適化された次数分布を用いた反復的信念伝播を用いて衝突を解消することで、400アンテナではスロット付きALOHA比で36%高いスループット、1024アンテナでは85%高いスループットを達成する。

ABSTRACT

We present a novel access protocol for crowd scenarios in massive MIMO (Multiple-input multiple-output) systems. Crowd scenarios are characterized by a large number of users with intermittent access behavior, whereby orthogonal scheduling is infeasible. In such scenarios, random access is a natural choice. The proposed access protocol relies on two essential properties of a massive MIMO system, namely asymptotic orthogonality between user channels and asymptotic invariance of channel powers. Signal processing techniques that take advantage of these properties allow us to view a set of contaminated pilot signals as a graph code on which iterative belief propagation can be performed. This makes it possible to decontaminate pilot signals and increase the throughput of the system. Numerical evaluations show that the proposed access protocol increases the throughput with 36%, when having 400 antennas at the base station, compared to the conventional method of slotted ALOHA. With 1024 antennas, the throughput is increased by 85%.

研究の動機と目的

• 群衆シナリオで一般的な密度の高い間欠的ユーザー通信において、マスィブMIMOシステムにおけるランダムアクセスの課題に対処すること。
• パイロットシーケンスの枯渇とユーザー競合のため、従来のオルトゴナルパイロットスケジューリングが非現実的になるという制限を克服すること。
• マスィブMIMOの固有の性質（チャネル直交性およびチャネル硬化）を活用し、干渉があっても衝突したパイロット信号の信頼性ある検出を可能にすること。
• パイロット干渉をグラフ符号上の復号問題として扱う符号化ランダムアクセス方式を開発し、反復的インタフェンスキャンセリングを可能にすること。
• 実用的制約のもとでスペクトル効率を最大化するために、システムパラメータ（パイロット繰り返し回数、フレーム構造、ユーザーアクセス確率）を最適化すること。

提案手法

• ランダムにアクセスするユーザーの上行パイロット信号を、各ユーザーのパイロット送信を変数ノード、各時隙をチェックノードとするグラフ符号としてモデル化する。
• 得られたAND-ORツリーに反復的信念伝播を適用し、送信されたパイロットシーケンスを推定し、パイロット再利用に起因する衝突を解消する。
• マスィブMIMOにおけるユーザーチャネルの漸近的直交性およびチャネルパワーの不変性を活用し、干渉があっても信頼性ある復号を保証する。
• 到達可能スループットを最大化するために、AND-ORツリー解析を用いてランダムアクセス符号の次数分布を最適化する。
• 同じパケットのレプリカ間での逐次インタフェンスキャンセリング（SIC）を可能にするために、パイロット送信の繰り返し（冗長性）を含むフレーム構造を導入する。
• 時隙数τ、フレームオーバーヘッドα、繰り返し回数βといった主要パラメータを調整し、リソース使用と復号性能のバランスを取る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マスィブMIMOシステムにおけるパイロット干渉は、グラフ符号上の復号問題として扱えるか。これにより信頼性のあるランダムアクセスが可能になるか。
• RQ2 特に漸近的チャネル直交性およびチャネル硬化というマスィブMIMOの性質をどのように活用すれば、ランダムアクセス性能が向上するか。
• RQ3 パイロット衝突および干渉を考慮した状況で、スループットを最大化する最適な次数分布は何か。
• RQ4 基地局アンテナ数が増加するに従い、提案手法と従来のALOHAとの性能向上にどのような影響を与えるか。
• RQ5 マスィブMIMO環境下で、符号化パイロットアクセスと組み合わせた逐次インタフェンスキャンセリング（SIC）は、システムスループットをどの程度向上できるか。

主な発見

• 400基地局アンテナを搭載した場合、提案されたCoded Pilot Access（CPA）方式によりスロット付きALOHA比で36%高いスループットが達成される。
• 1024アンテナを搭載した場合、CPA方式のALOHA比スループット向上率は85%に達し、スケジューリング伝送の性能ギャップが著しく縮小される。
• 最適な繰り返し回数βはアンテナ数Mに比例して増加し、チャネル直交性の向上に伴いSICの信頼性が向上していることが示唆される。
• 最適な時隙長τもMに比例して増加する。これは、Mが高くなることでSINRが向上し、復号性能に影響を与えない範囲でτを大きくできるためである。
• レート0.5のチャネル符号を用いることで、より大きなτと優れたSIC性能が得られ、レート損失があるものの非符号化動作に比べて高いスループットが達成される。
• CPA方式はMに比例してスケーリングを続ける一方、ALOHAはR=0.5でM≈200で飽和するため、マスィブMIMO環境下でのCPAの優れたスケーラビリティが示された。