[論文レビュー] Non-Orthogonal Random Access (NORA) for 5G Networks

Yanan Liang, Xu Li+2 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2017

IoT Networks and Protocols参考文献 28被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、5Gネットワーク向けに非直交型ランダムアクセス（NORA）を提案する。NORAは、逐次干渉キャンセレーション（SIC）と到着時刻差別化を活用し、多重のUEがパワー・ドメイン多重を用いて同時に送信可能となる新規ランダムアクセス方式であり、プリアンブル衝突とアクセス遅延を低減する。シミュレーション結果から、高UE負荷下において従来の直交型ランダムアクセス（ORA）と比較して、NORAはRAスルーレットを30％以上向上させ、プリアンブル送信回数とアクセス遅延を最大50％まで削減することが示された。

ABSTRACT

The massive amounts of machine-type user equipments (UEs) will be supported in the future fifth generation (5G) networks. However, the potential large random access (RA) delay calls for a new RA scheme and for a detailed assessment of its performance. Motivated by the key idea of non-orthogonal multiple access, the non-orthogonal random access (NORA) scheme based on successive interference cancellation (SIC) is proposed in this paper to alleviate the access congestion problem. Specifically, NORA utilizes the difference of time of arrival to identify multiple UEs with the identical preamble, and enables power domain multiplexing of collided UEs in the following access process, while the base station performs SIC based on the channel conditions obtained through preamble detection. Our analysis show that the performance of NORA is superior to the conventional orthogonal random access (ORA) scheme in terms of the preamble collision probability, access success probability and throughput of random access. Simulation results verify our analysis and further show that our NORA scheme can improve the number of the supported UEs by more than 30%. Moreover, the number of preamble transmissions and the access delay for successfully accessed UEs are also reduced significantly by using the proposed random access scheme.

研究の動機と目的

• 1セルあたり数万のUEが接続するマッシブ・マシンタイプ通信（mMTC）に起因する、5Gネットワークにおけるランダムアクセス（RA）混雑の増大問題に対処する。
• 高UE密度下でプリアンブル衝突確率とアクセス遅延が著しく上昇する従来の直交型ランダムアクセス（ORA）の限界を克服する。
• 非直交多重アクセス（NOMA）の原則を応用し、複数UEの同時アクセスを可能にする新たなRA方式を提案することで、スペクトル効率を向上させ、ネットワーク混雑を軽減する。
• 非定常なUE到着状況下におけるNORAの過渡的挙動を分析し、アクセス成功確率、スルーレット、遅延などの性能指標を導出する。

提案手法

• 同じプリアンブルを送信する複数UEを、到着時刻の差異を用いて区別し、基地局でマルチプリアンブル検出を可能にする。
• プリアンブル検出から得られるチャネル状態推定に基づき、基地局で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、複数同時送信メッセージを復調する。
• 上行リンクにおいて、衝突したUEのパワー・ドメイン多重を実装し、受信電力が大きい順にUEを復調する。
• 非ポisson的かつ非定常なUE到着プロセス下での過渡挙動を解析するため、マコフ連鎖を用いてシステムをモデル化する。
• 路損、瑞々しい fading（Rayleigh fading）、および目標データレートを考慮し、NORAグループ内UEのアウトージ確率の解析的表現を導出する。
• 導出されたアウトージ確率を用いて、アクセス成功確率、スルーレット、プリアンブル送信回数、アクセス遅延といった主要性能指標を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高UE密度下において、NORAは従来の直交型ランダムアクセス（ORA）と比較して、プリアンブル衝突確率をどのように低減するか？
• RQ2 マッシブ接続環境下において、NORAはランダムアクセスプロセスのアクセス成功確率とスルーレットをどの程度向上させるか？
• RQ3 NORAは、ORAと比較して、プリアンブル再送信回数とアクセス遅延を顕著に低減できるか？
• RQ4 特に理論的RA容量に近い状況において、UE数の増加に伴いNORAの性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 パワー・ドメイン多重とSICは、NORAグループ内個々のUEのアウトージ確率にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• NORAは、特に50,000台のUEのような高UE負荷下において、従来のORAと比較してランダムアクセススルーレットを30％以上向上させる。
• NORAでは、正常なアクセスに要するプリアンブル送信回数がORAと比較して約50％削減され、シグナリングオーバーヘッドが顕著に低減される。
• UE総数がRA容量に近づく状況において、NORAでは正常にアクセスしたUEのアクセス遅延がORAと比較して半減する。
• 路損、瑞々しい fading（Rayleigh fading）、および目標データレートを考慮したもとで、NORAグループ内UEのアウトージ確率が解析的に導出され、正確な性能予測が可能となった。
• シミュレーション結果から、プリアンブルの利用可能数を上回るUE数がある状況でも、NORAは高いアクセス成功確率と低い遅延を維持することが確認された。
• 提案された解析モデルは、非定常なUE到着下におけるNORAの過渡挙動を正確に捉えており、5G mMTCシナリオにおける実用的妥当性が裏付けられた。