[论文解读] Success Probability of Grant-Free Random Access with Massive MIMO

Jie Ding, Daiming Qu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于大规模MIMO的免调度随机接入（RA），以实现大规模机器类型通信（mMTC）的高容量、低开销接入。通过推导匹配波束成形（CB）和迫零波束成形（ZFB）的解析成功概率表达式，表明大规模MIMO可使每个信道支持的RA用户数比单天线系统高出约100倍，在使用128个正交前导序列和200根天线时，成功概率接近1。

ABSTRACT

Massive MIMO opens up new avenues for enabling highly efficient random access (RA) by offering abundance of spatial degrees of freedom. In this paper, we investigate the grant-free RA with massive MIMO and derive the analytic expressions of success probability of the grant-free RA for conjugate beamforming and zero-forcing beamforming techniques.With the derived analytic expressions, we further shed light on the impact of system parameters on the success probability. Simulation results verify the accuracy of the analyses. It is confirmed that the grant-free RA with massive MIMO is an attractive RA technique with low signaling overhead that could simultaneously accommodate a number of RA users, which is multiple times the number of RA channels, with close-to-one success probability. In addition, when the number of antennas in massive MIMO is sufficiently large, we show that the number of orthogonal preambles would dominate the success probability.

研究动机与目标

• 为解决传统请求-授权RA在大规模机器对机器（M2M）通信中的局限性，即高信令开销和接入延迟限制了可扩展性。
• 研究基于大规模MIMO的免调度RA是否能够以低时延和高可靠性支持大量突发性、短包物联网设备。
• 推导大规模MIMO系统中匹配波束成形（CB）和迫零波束成形（ZFB）下的成功概率闭式表达式。
• 量化关键系统参数——天线数（M）、正交前导序列数（P）和用户分布——对成功概率的影响。
• 评估基于大规模MIMO的免调度RA相较于单天线系统及理想化用户分布（EUD）的性能增益。

提出的方法

• 在瑞利衰落和空间相关条件下，通过大规模系统分析推导免调度RA的成功概率近似解析表达式。
• 对大规模M（基站天线数）应用渐近分析，利用信道硬化和大数定律简化干扰和SINR表达式。
• 采用匹配波束成形（CB）和迫零波束成形（ZFB）抑制多用户干扰，增强空间复用增益。
• 将成功概率建模为基站处任意活跃用户的信干噪比（SINR）超过阈值的概率。
• 考虑两种用户分布模型：随机用户分布和理想化的“完全用户分布”（EUD），其中用户被完美调度。
• 通过在真实大规模MIMO和衰落条件下的蒙特卡洛仿真验证分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于大规模MIMO的免调度RA在使用匹配波束成形（CB）和迫零波束成形（ZFB）时，其解析成功概率是多少？
• RQ2 基站天线数（M）和正交前导序列数（P）如何影响成功概率？
• RQ3 与单天线系统相比，大规模MIMO在多用户复用效率（η = Na/C）方面能提升多少？
• RQ4 基于大规模MIMO的免调度RA在成功概率方面与理想化的完全用户分布（EUD）相比有多接近？
• RQ5 当M足够大时，系统参数M或P中哪一个主导成功概率？

主要发现

• 在200根天线和128个正交前导序列条件下，基于大规模MIMO的免调度RA在95%成功概率下，信道复用效率（η）相比单天线系统提高了100倍。
• 当RA用户数（Na）为RA信道数（C）的若干倍时，成功概率趋近于1，表明频谱效率极高。
• 当M足够大时，正交前导序列数（P）主导成功概率，表明前导序列设计对性能至关重要。
• 与理想完全用户分布（EUD）的差距随M增加而减小：从M=1时的1917%降至M=400时的16%，表明大规模MIMO可实现近似最优性能。
• 在95%成功概率和P=128的条件下，系统相比单天线系统实现约100倍的η增益，相当于频谱节省99%。
• CB和ZFB的成功概率解析表达式经仿真验证，表明在空间相关瑞利衰落条件下具有高度准确性。