[论文解读] Rate Splitting Multiple Access for Semi-Grant-Free Transmissions

Hongwu Liu, Theodoros A. Tsiftsis+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 23被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于大规模物联网网络中半无许可接入（SGF）传输的速率分割多址（RSMA）方案，实现了稳健、节能的无许可（GF）接入，同时保障了有许可（GB）用户的服务质量。RSMA-SGF方案实现了完全的多用户分集增益，且无需限制目标速率即可消除掉线底限，与现有基于非正交多址（NOMA）的SGF方法相比，显著降低了掉线概率。

ABSTRACT

Enabled by hybrid grant-based (GB) and grant-free (GF) transmission techniques, GF users of internet of things (IoT) devices and massive machine-type communications (mMTC) meet opportunities to share wireless resources with GB users. In this paper, we propose a rate splitting multiple access (RSMA) strategy for an emerging semi-grant-free (SGF) transmission system to increase connectivity and reliability. In the proposed RSMA assisted SGF (RSMA-SGF) scheme, the GF users apply the rate splitting principle to realize distributed contentions and utilize transmit power most effectively for robust transmissions, meanwhile keeping themselves transparent to the GB user. Compared to existing non-orthogonal multiple access (NOMA) assisted SGF schemes, the RSMA-SGF scheme significantly decreases outage probability and achieves full multiuser diversity gain without restricting the GB and GF users' target rates to a limited value region. Exact expressions and asymptotic analysis for the outage probability are provided to facilitate the system performance evaluation of the proposed RSMA-SGF scheme. Computer simulation results clarify the superior outage performance of the RSMA-SGF scheme and verify the accuracy of the developed analytical results.

研究动机与目标

• 为解决现有基于非正交多址（NOMA）的半无许可接入（SGF）方案存在的掉线底限问题及严格的速率约束限制。
• 在保障现有有许可（GB）用户服务质量（QoS）的前提下，实现大规模物联网设备的稳健、节能的无许可（GF）接入。
• 在不约束GB和GF用户目标速率的前提下，消除GF传输中的掉线底限。
• 通过先进的多址设计，在SGF系统中实现完全的多用户分集增益。

提出的方法

• RSMA-SGF方案对GF用户应用速率分割，支持分布式竞争，并实现最优功率利用，以保障可靠传输。
• 通过确保GB用户的系统性能与正交多址（OMA）系统相当，保持对GB用户的透明性。
• 该方案采用混合的连续干扰消除（SIC）解码顺序与功率分配机制，以管理干扰并提升可靠性。
• 基于统计信道状态信息（CSI）与Nakagami-m衰落模型，推导出精确与渐近的掉线概率表达式。
• 分析中引入了对GB用户速率与功率的约束，确保其性能与OMA系统保持一致。
• 推导出高信噪比（SNR）近似，以评估分集增益与掉线底限行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 RSMA能否有效应用于半无许可（SGF）传输，以改善掉线性能并消除掉线底限？
• RQ2 RSMA-SGF方案是否能在不对GB和GF用户施加速率约束的情况下实现完全的多用户分集增益？
• RQ3 与基于NOMA的SGF方案相比，RSMA-SGF的掉线概率如何随信噪比（SNR）变化？
• RQ4 发射功率分配与SIC解码顺序对RSMA-SGF中GF用户可靠性有何影响？
• RQ5 所提出的方案能否在支持大规模GF接入的同时，保持GB用户性能与OMA相当？

主要发现

• RSMA-SGF方案实现了完全的多用户分集增益，使性能可随SNR增加而提升，且无误码底限。
• 与现有基于NOMA的SGF方案相比，掉线概率显著降低，尤其在高SNR区域表现更优。
• 该方案即使在不约束GB和GF用户目标速率的情况下，也能消除掉线底限，而NOMA-SGF则受此类限制影响。
• 渐近分析表明，高SNR下掉线概率按 $\frac{\epsilon_{\rm F}}{P_{\rm F}}$ 速率下降，表明具有有利的分集特性。
• 仿真结果验证了分析表达式的准确性，并在所有SNR区域均展示了RSMA-SGF优越的掉线性能。
• 所推导的高SNR近似表明，由于通过速率分割与功率控制实现了有效的干扰管理，掉线底限已完全消失。