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

Duc‐Dung Tran, Shree Krishna Sharma+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 13

一句话总结

本文提出了一种用于瑞利衰落信道下MIMO非正交多址（NOMA）系统的短包通信（SPC）框架，采用块错误率（BLER）和最小块长作为性能度量。提出了两种用户-天线选择方案——HCS与LCS，证明MIMO NOMA相比MIMO OMA可实现更短的块长和全 diversity 增益，从而在5G及更未来的网络中实现超可靠、低时延通信。

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.

研究动机与目标

• 解决传统长包速率度量在超可靠低时延通信（URLLC）系统中的局限性。
• 分析在Nakagami-m衰落信道下，多用户下行链路MIMO NOMA系统在短包传输中的性能，其中传统遍历容量度量不再适用。
• 为具有不同优先级等级的两层用户簇设计并评估两种用户-天线选择方案——HCS与LCS。
• 推导平均BLER与最小块长的渐近及近似闭式表达式，以量化可靠性与时延性能。
• 在短包传输约束下，建立分集增益与最优功率分配策略。

提出的方法

• 提出两种基于用户聚类的用户-天线选择方案：HCS（高优先级簇选择）与LCS（低优先级簇选择），适用于MIMO NOMA系统。
• 利用统计信道状态信息，推导高、低优先级用户在高、低信噪比下的平均BLER的渐近及近似闭式表达式。
• 采用有效信噪比（SNR）方法与基于矩生成函数（MGF）的技术，建模每个用户的端到端SNR分布。
• 通过变量替换与二项式展开方法，评估由BLER表达式引出的复杂数积分，实现可处理的性能分析。
• 引入一种改进的有效SNR度量，以建模在短包条件下NOMA系统中 successive interference cancellation（SIC）的影响。
• 基于高信噪比下BLER的渐近行为，推导最小块长表达式，实现时延优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Nakagami-m衰落信道下，MIMO NOMA在短包传输中的块错误率（BLER）性能如何？
• RQ2 在MIMO NOMA系统中，为达到目标BLER所需的最小块长是多少？与MIMO OMA相比有何差异？
• RQ3 所提出的用户-天线选择方案（HCS与LCS）是否能在短包MIMO NOMA系统中实现全分集增益？
• RQ4 最优功率分配如何影响短包MIMO NOMA中的BLER与块长性能？
• RQ5 用户聚类与SIC对MIMO NOMA在URLLC场景下的可靠性与时延有何影响？

主要发现

• 所提出的HCS与LCS方案对高优先级与低优先级用户均实现了全分集增益，证实其对深衰落的鲁棒性。
• 在相同目标BLER下，MIMO NOMA的最小块长低于MIMO OMA，表明其在短包传输场景中具备更优的时延性能。
• 渐近BLER表达式揭示，每个用户的分集阶数为 min(m_H, m_L)，取决于其对应信道的Nakagami-m衰落参数。
• 推导出的近似闭式BLER表达式具有高度准确性，尤其在高信噪比下与仿真结果高度吻合。
• 最优功率分配显著改善了BLER性能，尤其在HCS模式下对高优先级用户效果更明显。
• 最小块长被证明与有效SNR的平方成反比，证实了可靠性与时延之间的权衡关系。