[论文解读] Effective Capacity of NOMA with Finite Blocklength for Low-Latency Communications

Muhammad Amjad, Leila Musavian+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在有限块长体制下针对两用户非正交多址接入（NOMA）的闭式有效容量（EC）分析，以支持超可靠低时延通信（URLLC）。通过建模瑞利衰落信道，并结合传输误码概率与延迟违规概率，作者推导出有效容量表达式，揭示了信噪比（SNR）、延迟指数与可靠性之间的权衡关系，表明由于误码概率的主导作用，高延迟指数并不能将延迟违规概率进一步降低至某一阈值以下。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the link-layer rate of a two-users non-orthogonal multiple access (NOMA) network in finite blocklength (short packet communications) regime, where the two users are paired from a set of V users. The overall reliability consists of the transmission error probability and the queuing delay violation probability. The performance of the two-users NOMA network in finite blocklength is verified for achieving latency and reliability, using the effective capacity (EC) framework. Specifically, we derive closed-form expressions for the EC of the two-users NOMA network in finite blocklength regime, considering transmissions over Rayleigh fading channels. We also study a multiuser NOMA network and derive the total EC of two-users NOMA subsets, and show that the NOMA set with users having distinct channel conditions achieve maximum total EC. Focusing on a two-users NOMA network, we study the impact of the transmit signal-to-noise ratio, delay exponent, and transmission error probability, on the achievable EC of each user. The analysis shows that when the delay exponent is high, the delay violation probability does not improve below a certain value due to the dominant factor of the transmission error probability. The accuracy of the proposed closed-form expressions for the individual EC of a two-users NOMA is verified using the Monte-Carlo simulations.

研究动机与目标

• 分析两用户NOMA在有限块长体制下用于低时延、超可靠通信的有效容量（EC）。
• 建立传输误码概率与队列延迟违规对系统可靠性影响的联合模型。
• 推导在瑞利衰落信道下，NOMA对中强用户与弱用户的闭式EC表达式。
• 研究发射SNR、延迟指数与误码概率对单个用户EC的影响。
• 识别在多用户NOMA网络中能最大化总EC的最优用户配对策略。

提出的方法

• 应用有效容量（EC）框架，量化在有限块长NOMA中，满足时延与可靠性约束下的最大可支持到达速率。
• 利用顺序统计与广义二项式展开，推导弱用户信道增益分布的闭式EC表达式。
• 在两用户NOMA系统中，结合发射端的叠加编码（SC）与接收端的连续干扰消除（SIC）。
• 采用蒙特卡洛仿真验证所推导闭式EC表达式的准确性。
• 利用参考文献[29]中已知的积分恒等式求解EC表达式中的积分，特别是涉及指数积分函数的部分。
• 分析两用户NOMA子集的总EC，表明将信道条件差异显著的用户进行配对可最大化整体EC。

实验结果

研究问题

• RQ1 在瑞利衰落信道下，有限块长约束中两用户NOMA对的有效容量行为如何？
• RQ2 当传输误码概率不可忽略时，延迟指数对延迟违规概率有何影响？
• RQ3 发射SNR与误码概率如何联合影响每个NOMA用户的可实现EC？
• RQ4 闭式表达式能否准确表示有限块长系统中NOMA用户的EC？
• RQ5 在多用户NOMA网络中，何种用户配对策略能最大化总有效容量？

主要发现

• 通过蒙特卡洛仿真验证了两用户NOMA中强用户与弱用户有效容量的闭式表达式，确认其具有高精度。
• 当延迟指数较高时，由于传输误码概率的主导作用，延迟违规概率无法进一步降低至某一阈值以下。
• 当用户信道增益差异显著时，两用户NOMA子集的总有效容量达到最大。
• 在高SNR下，弱用户的有效容量收敛于由系统误码概率与延迟约束决定的某个值。
• 有效容量框架成功捕捉了有限块长NOMA系统中物理层误码与队列延迟的联合影响。
• 通过使用广义二项式展开与积分恒等式，实现了在复杂衰落与干扰条件下EC的可计算闭式表达式推导。