Efficient methods for massive random access

Abstract

Este trabalho investiga o canal de acesso aleatório com um número massivo de usuários sob ruído gaussiano, com foco em pacotes pequenos. Para esse problema, esquemas coordenados são considerados ineficientes devido à necessidade de grande quantidade de feedbacks e ao uso de técnicas de requisição de acesso ineficientes. O trabalho revisa a teoria necessária e o método sem coordenação apresentado por Ordentlich e Polyanskiy. Em sequência, apresenta-se um modelo que permite a comparação justa entre métodos com e sem coordenação, considerando usos de canal e energia por bit. Após isso, um método coordenado é proposto. O esquema proposto usa o método apresentado por Ordentlich e Polyanskiy (método OP) para transmitir pequenos índices de coordenação, realizando a requisição de acesso, permitindo uma requisição eficiente e pouco feedback. Também é apresentado um aprimoramento ao método OP para decodificar índices iguais, melhorando significativamente a eficiência do método para mensagens muito pequenas. Um método de otimização é apresentado e, usando os parâmetros projetados com este método, os resultados do método proposto são comparados ao estado-da-arte. Resultados em simulação mostram que, se for permitida uma quantidade pequena de feedback, o método proposto requer uma energia por bit menor que a dos métodos sem coordenação existentes.Neste trabalho, também é investigada a alcançabilidade do método proposto e mostra-se que, no regime de interesse, as probabilidades de erro são alcançáveis com pouca ou nenhuma perda de energia.Finalmente, o desempenho do método proposto é verificado utilizando códigos existentes e observa-se que, apesar dos resultados práticos serem comparáveis a outros métodos, há uma melhoria significativa a ser feita nos códigos para este problema específico.<br>

Abstract : This work investigates the massive random access Gaussian channel with a focus on small payloads. For this problem, grant-based schemes have been regarded as inefficient due to the necessity of large feedbacks and the use of inefficient scheduling request methods. The necessary theory and the grantless method presented by Ordentlich and Polyanskiy is briefly revised. Then, a model that allows fair comparison between grantless and grant-based methods is presented, taking into account energy spent and number of channel uses. In the sequence, we propose a novel grant-based scheme. The scheme uses Ordentlich and Polyanskiy's method to transmit small coordination indices in order to perform the scheduling request, which allows both the request from the users to be efficient and the feedback to be small. The proposed method also contains an improvement to the Ordentlich and Polyanskiy's scheme, allowing it to handle collisions of the same message, significantly improving the method for very small messages. An optimization framework is presented and, using the parameters designed with this framework, the performance of the proposed method is compared to the state-of-art. Simulation results show that, if a short feedback is allowed, the proposed method requires lower energy per bit than existing practical grantless methods. The achievability of the method is also investigated and it is shown that, in the regime of interest, the probabilities of error can be achieved with small or no energy losses. Finally, the performance using off-the-shelf codes is investigated and it can be seen that, while the proposed method results are comparable to that of other methods, there is a significant improvement to be made in code design for this specific problem.