[论文解读] Semi-Grant-Free NOMA: A Stochastic Geometry Model

Chao Zhang, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 39被引用 5

一句话总结

本文提出一种动态半无许可（semi-grant-free, semi-GF）非正交多址（NOMA）协议，通过基于功率域NOMA智能选择哪些无许可（GF）用户进行配对，以提升大规模物联网（IoT）网络上行链路频谱效率并减少碰撞。利用随机几何模型刻画用户空间分布，该动态协议通过自适应信道质量阈值，优于开环基准方案，显著降低GF用户干扰，提升近用户与远用户场景下的中断性能及分集增益。

ABSTRACT

Grant-free (GF) transmission holds promise in terms of low latency communication by directly transmitting messages without waiting for any permissions. However, collision situations may frequently happen when limited spectrum is occupied by numerous GF users. The non-orthogonal multiple access (NOMA) technique can be a promising solution to achieve massive connectivity and fewer collisions for GF transmission by multiplexing users in power domain. We utilize a semi-grant-free (semi-GF) NOMA scheme for enhancing network connectivity and spectral efficiency by enabling grant-based (GB) and GF users to share the same spectrum resources. With the aid of semi-GF protocols, uplink NOMA networks are investigated by invoking stochastic geometry techniques. We propose a novel extit{dynamic protocol} to interpret which part of the GF users are paired in NOMA transmissions via transmitting various channel quality thresholds by an added handshake. We utilize open-loop protocol with a fixed average threshold as the benchmark to investigate performance improvement. It is observed that dynamic protocol provides more accurate channel quality thresholds than open-loop protocol, thereby the interference from the GF users is reduced to a large extent. We analyze the outage performance and diversity gains under two protocols. Numerical results demonstrate that dynamic protocol is capable of enhancing the outage performance than open-loop protocol.

研究动机与目标

• 解决5G物联网网络中因海量设备接入导致的无许可（GF）上行链路传输高碰撞风险问题。
• 通过集成半无许可（semi-GF）接入与动态用户配对，提升GF-NOMA系统的频谱效率并降低干扰。
• 利用随机几何技术对空间随机性下的上行NOMA性能进行建模与分析。
• 从中断概率与分集增益角度，对比动态与开环协议在GF用户与有许可（GB）用户中的表现。
• 推导在两种SIC排序场景下（GB用户作为近用户，GF用户作为近用户）的中断性能与分集增益的解析表达式。

提出的方法

• 采用齐次泊松点过程（HPPP）建模上行半GF-NOMA网络，以捕捉用户的时空随机性。
• 提出一种新颖的动态竞争控制协议，通过向用户广播可变的信道质量阈值，基于实时信道条件选择GF用户进行NOMA配对。
• 利用随机几何方法，推导出在两种场景下的中断概率与分集增益的闭式表达式：GB用户作为近用户（场景I）与GF用户作为近用户（场景II）。
• 采用连续干扰消除（SIC）技术，根据用户位置与信道增益采用两种不同的SIC顺序，实现性能的可分析评估。
• 将所提动态协议与采用固定平均阈值的开环协议作为基准进行对比，通过数值验证其性能。
• 推导出中断性能的渐近与近似表达式，并在高信噪比（SNR）区域通过仿真验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在半GF-NOMA中，动态阈值自适应相较于固定阈值的开环协议，如何改善中断性能？
• RQ2 用户位置分布（靠近或远离基站）对半GF-NOMA中中断概率与分集增益有何影响？
• RQ3 不同接入阈值如何影响上行NOMA中GF用户与GB用户的干扰与可靠性？
• RQ4 在半GF-NOMA中，不同SIC排序策略下的中断概率与分集增益的解析表达式是什么？
• RQ5 与开环协议相比，动态协议在多大程度上降低了GF用户的干扰？

主要发现

• 该动态协议通过基于实时信道条件自适应调整信道质量阈值，显著降低了GF用户的干扰。
• 与开环协议相比，动态协议在中断性能方面表现更优，尤其在高信噪比（SNR）区域更为明显。
• 在场景I（GB用户作为近用户）与场景II（GF用户作为近用户）中，分集增益由SIC顺序决定：近用户为1，远用户为0。
• 随着内环半径 $R_1$ 增大，中断概率降低，这是由于大尺度衰落得到改善；而外环半径 $R_2$ 增大则减少干扰，提升系统性能。
• 降低GF用户的中断阈值 $R_{GF}$ 可改善GB用户的中断性能，而降低 $R_{GB}$ 会提高GB用户的误码地板。
• 两种场景下中断概率的解析结果与仿真结果完全吻合，验证了推导表达式与渐近近似的正确性。