[論文レビュー] Analyzing Grant-Free Access for URLLC Service

Yan Liu, Yansha Deng+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2020

IoT Networks and Protocols参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、コンテストベースのリソースアクセスにおけるURLLCサービスの割り当て不要（GF）上行アクセスを評価するための空間時間的分析フレームワークを提案する。3つのHARQベースの方式—反応型、K繰返し型、プロアクティブ型—を用い、潜在的アクセス失敗確率を主要指標として導入し、短時間遅延制約下ではプロアクティブGFが最小の失敗確率を達成する一方、長時間遅延下ではK繰返し型がKの値に依存して優れた性能を示すことを示した。

ABSTRACT

5G New Radio (NR) is expected to support new ultra-reliable low-latency communication (URLLC) service targeting at supporting the small packets transmissions with very stringent latency and reliability requirements. Current Long Term Evolution (LTE) system has been designed based on grantbased (GB) (i.e., dynamic grant) random access, which can hardly support the URLLC requirements. Grant-free (GF) (i.e., configured grant) access is proposed as a feasible and promising technology to meet such requirements, especially for uplink transmissions, which effectively saves the time of requesting/waiting for a grant. While some basic GF access features have been proposed and standardized in NR Release-15, there is still much space to improve. Being proposed as 3GPP study items, three GF access schemes with Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) retransmissions including Reactive, K-repetition, and Proactive, are analyzed in this paper. Specifically, we present a spatiotemporal analytical framework for the contention-based GF access analysis. Based on this framework, we define the latent access failure probability to characterize URLLC reliability and latency performances. We propose a tractable approach to derive and analyze the latent access failure probability of the typical UE under three GF HARQ schemes. Our results show that under shorter latency constraints, the Proactive scheme provides the lowest latent access failure probability, whereas, under longer latency constraints, the K-repetition scheme achieves the lowest latent access failure probability, which depends on K. If K is overestimated, the Proactive scheme provides lower latent access failure probability than the K-repetition scheme.

研究の動機と目的

• URLLCの厳密な1ms遅延および1−10−5の信頼性要件を満たすために、割り当てベースのアクセスの限界を解消すること。
• 5G NRにおけるURLLCサービスのコンテストベースの割り当て不要上行アクセスを、ハイブリッドARQ（HARQ）再送信を用いて分析すること。
• 異なるGF HARQ方式の下で信頼性および遅延性能を評価するための解析的で実用的な空間時間的分析フレームワークを構築すること。
• URLLCの信頼性および遅延評価のための統一指標として、潜在的アクセス失敗確率を定義し、計算すること。
• 反応型、K繰返し型、プロアクティブ型の3つのGF HARQ方式の性能を、異なる遅延および負荷条件下で比較すること。

提案手法

• コンテストベースのGFアクセスにおける干渉およびアウトージョンを分析するため、確率的幾何学と点過程モデルを組み合わせた空間時間的分析フレームワークを提案する。
• ポアソンクラスタ過程を用いてダウンリンクおよびアップリンク干渉をモデル化し、集合的内部およびセル間干渉のラプラス変換を導出する。
• 潜在的アクセス失敗確率を送信成功確率の補数として導入し、干渉およびフィードバックタイミングの両方を考慮する。
• 二項係数の包含除外原理および一般化超幾何関数を用いて、K繰返し型およびプロアクティブHARQ方式における送信成功確率の閉形式表現を導出する。
• 3GPPで定義されたK繰返し方式と、フィードバックが到着するまで再送信が行われる新規のプロアクティブ方式を採用し、フィードバックは4回目の繰返し以降にのみ利用可能である。
• 干渉分布をモデル化し、セル間干渉のラプラス変換を導出するために、一般化超幾何関数 $_2F_1$ を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短時間遅延制約下で、反応型、K繰返し型、プロアクティブ型の各GF HARQ方式における潜在的アクセス失敗確率はどのように変化するか？
• RQ2 K繰返し方式における再送回数Kの値が、全体の信頼性および遅延性能に与える影響は何か？
• RQ3 4回目の繰返し後にフィードバックが利用可能になることにより、プロアクティブHARQ方式の性能は反応型方式と比較してどのように変化するか？
• RQ4 どのような条件下で、プロアクティブ方式がK繰返し方式よりもアクセス失敗確率の面で優れるか？
• RQ5 提案された分析フレームワークは、コンテストベースの割り当て不要上行アクセスにおける信頼性と遅延のトレードオフを的確に捉えているか？

主な発見

• 短時間遅延制約（例：1ms）下では、プロアクティブHARQ方式がその能動的再送戦略により、最小の潜在的アクセス失敗確率を達成する。
• 長時間遅延制約下では、K繰返し方式がプロアクティブ方式よりも低い失敗確率を達成するが、その性能はKの値に依存する。
• Kが過大に推定された場合、プロアクティブ方式が失敗確率の面でK繰返し方式を上回ることから、Kの選択に応じた性能のトレードオフが生じることを示している。
• K繰返し方式の送信成功確率は、二項係数および一般化超幾何関数 $_2F_1$ を用いて閉形式で導出された。
• プロアクティブ方式の成功確率は、4回目の繰返し以降のフィードバックの可用性に依存し、5回目以降の再送信から干渉ユーザー数が動的に変化する。
• 分析フレームワークは、干渉、フィードバックタイミング、再送戦略の相互作用を的確に捉えており、URLLCのGFアクセスの性能評価を正確に行うことを可能にした。