[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一种用于低时延、大规模机器类型通信的无调度大规模非正交多址（NOMA）方案，其中设备随机选择导频序列并同时传输数据，导致碰撞，被视作干扰。通过连续干扰消除（SIC）和连续联合检测（SJD），作者推导出中断概率和最大可实现吞吐量的闭式表达式，结果表明尽管在低负载下SIC与SJD的中断性能相近，但SJD在吞吐量方面显著优于SIC。

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.

研究动机与目标

• 为解决大规模机器类型通信（mMTC）中因控制开销过高而导致的协调接入效率低下问题。
• 设计一种适用于低时延、低复杂度mMTC且无需重传的无调度、非协调NOMA方案。
• 分析在瑞利衰落与路径损耗信道中，采用随机导频接入和碰撞干扰时，SIC与SJD的性能表现。
• 推导在固定速率与无限码率编码传输条件下，中断概率与最大可实现吞吐量的闭式表达式。

提出的方法

• 设备从预定义的集合中随机选择导频序列并同时传输数据，碰撞被视作干扰。
• 系统建模为在瑞利衰落与路径损耗信道中存在多个活跃设备的上行链路传输。
• 基于包含-排除原理与泊松近似，推导出使用SIC与SJD的固定速率传输下的中断概率，获得精确表达式。
• 利用随机几何与矩生成函数技术，分析使用SJD的无限码率码的吞吐量，推导出最大可实现速率。
• 分析考虑了碰撞用户带来的干扰，并利用干扰功率的特征函数推导出闭式表达式。
• 数值结果验证了分析表达式的正确性，尤其在高系统负载与大规模接入条件下表现良好。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无调度大规模NOMA系统中，低至中等负载下SIC与SJD的中断概率有何差异？
• RQ2 采用无限码率码的无调度大规模NOMA系统，其最大可实现吞吐量是多少？
• RQ3 随着系统负载与干扰的增加，SIC与SJD的性能如何变化？
• RQ4 碰撞引起的干扰对非协调NOMA的可靠性与频谱效率有何影响？
• RQ5 在瑞利衰落与路径损耗信道中，采用随机导频接入时，能否推导出中断概率与吞吐量的闭式表达式？

主要发现

• 在低数据速率传输条件下，SIC的中断性能在每时隙最多10个分组时与SJD相近，表明在中等负载下两者具有相似的可靠性。
• SJD的吞吐量接近SIC的两倍，证明其在高负载场景下具有更高的频谱效率。
• 通过数值结果验证了中断概率与吞吐量分析表达式的准确性，其在不同系统负载下均表现良好。
• 在大规模接入条件下，单个层（singleton layer）的平均数量趋于无穷大，从而实现接收信号功率有序排列的确定性收敛。
• 在大规模接入场景下，SJD的中断概率仅依赖于干扰功率，显著简化了系统分析。
• 采用无限码率码可实现自适应传输速率，在动态信道与负载条件下提升频谱效率。