[論文レビュー] Grant-Free Massive NOMA: Outage Probability and Throughput

Rana Abbas, Mahyar Shirvanimoghaddam+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 33被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、低遅延で大規模な機械間通信（mMTC）に適した、認可なしの大規模NOMA方式を提案する。デバイスはランダムにパイロットシーケンスを選択し、同時にデータを送信するが、衝突は干渉として扱われる。逐次干渉キャンセレーション（SIC）と逐次共同デコード（SJD）を用いて、停電確率および最大実現可能スループットの閉形式表現を導出。SICと比較して、SJDは低負荷時と同程度の停電性能を示すが、スループットでは顕著に優れていることが示された。

ABSTRACT

In this paper, we consider a massive uncoordinated non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme where devices have strict latency requirements and no retransmission opportunities are available. Each device chooses a pilot sequence from a predetermined set as its signature and transmits its selected pilot and data simultaneously. A collision occurs when two or more devices choose the same pilot sequence. Collisions are treated as interference to the remaining received signals. We consider successive joint decoding (SJD) and successive interference cancellation (SIC) under a Rayleigh fading and path loss channel model. We first derive the expression for the outage probability for the case where devices transmit at the same fixed rate. Then, we derive the expression for the maximum achievable throughput for the case where devices transmit with rateless codes. Thus, their code rate is adaptive to the system conditions, i.e., load, received powers, and interference. Numerical results verify the accuracy of our analytical expressions. For low data rate transmissions, results show that SIC performs close to that of SJD in terms of outage probability for packet arrival rates up to 10 packets per slot. However, SJD can achieve almost double the throughput of SIC and is, thus, far more superior.

研究の動機と目的

• 高コントロールオーバヘッドによる、大規模な機械間通信（mMTC）における協調アクセスの非効率性を解消すること。
• 再送信なしで、低遅延・低複雑性のmMTCに適した、認可なしで非協調的なNOMA方式を設計すること。
• ランダムなパイロットアクセスと衝突干渉を伴うRayleigh fadingおよびパスロスチャネルにおけるSICおよびSJDの性能を分析すること。
• 固定レートおよびレートレスコード伝送の下で、停電確率および最大実現可能スループットの閉形式表現を導出すること。

提案手法

• デバイスは事前に定義されたセットからパイロットシーケンスを選択し、同時にデータを送信する。衝突は干渉として扱われる。
• 複数のアクティブなデバイスを伴う、Rayleigh fadingおよびパスロスチャネルを介した上行リンク伝送をモデル化する。
• SICおよびSJDを用いた固定レート伝送における停電確率を導出。包含除算法則およびポアソン近似を用いて正確な表現を導出する。
• SJDを用いたレートレスコードにおけるスループットを分析。最大実現可能レートは、確率的幾何学およびモーメント生成関数の手法を用いて導出する。
• 衝突したユーザーからの干渉を考慮し、干渉電力の特性関数を用いて閉形式表現を導出する。
• 数値結果により、解析的表現の妥当性を検証。特に高負荷および大規模アクセス条件下で有効である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低～中程度の負荷下で、認可なしの大規模NOMAシステムにおけるSICとSJDの停電確率はどのように比較されるか？
• RQ2 レートレスコードを用いた逐次共同デコードを用いた認可なしの大規模NOMAシステムの最大実現可能スループットは何か？
• RQ3 SICおよびSJDの性能は、システム負荷および干渉の増加に伴いどのように変化するか？
• RQ4 衝突に起因する干渉は、非協調NOMAの信頼性およびスペクトル効率にどのような影響を与えるか？
• RQ5 ランダムなパイロットアクセス、Rayleigh fadingおよびパスロスの下で、停電確率およびスループットの閉形式表現を導出可能か？

主な発見

• 低データレート伝送では、SICは1スロットあたり10パケットまでの範囲でSJDとほぼ同等の停電性能を達成し、中程度の負荷下でも同程度の信頼性を示す。
• SJDはSICのスループットのほぼ2倍を達成し、高負荷状況下でのスペクトル効率の優位性を示している。
• 停電確率およびスループットの解析的表現は、数値結果により妥当性が確認され、さまざまなシステム負荷下で正確であることが示された。
• 大規模アクセス条件下では、シングルトン層の平均数が漸近的に大きくなり、順序付けられた受信電力の確定的収束が可能になる。
• SJDの導出された停電確率は、大規模アクセス領域では干渉電力にのみ依存するため、システム解析が簡素化される。
• レートレスコードの使用により、動的変化するチャネルおよび負荷状態に適応可能な伝送レートが可能となり、スペクトル効率が向上する。