[論文レビュー] Uplink Grant-Free Random Access Solutions for URLLC services in 5G New Radio

Nurul Huda Mahmood, Renato Abreu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、5G NRにおけるURLLCにおける信頼性とリソース効率を向上させるために、2つの高度な無許可ランダムアクセス方式を提案する。1つ目の方式は、専用初期送信に続いて共有リソース上でのブラインド再送信を実行するものであり、2つ目の方式は、無許可アクセスと周波数多重方式非直交多重アクセス（NOMA）を組み合わせ、受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用するものである。両方式とも性能が顕著に向上し、NOMAにより10⁻⁵のパケット損失率でスロットあたり1.5人を超える正規化された負荷が達成可能である。

ABSTRACT

The newly introduced ultra-reliable low latency communication service class in 5G New Radio depends on innovative low latency radio resource management solutions that can guarantee high reliability. Grant-free random access, where channel resources are accessed without undergoing assignment through a handshake process, is proposed in 5G New Radio as an important latency reducing solution. However, this comes at an increased likelihood of collisions resulting from uncontrolled channel access, when the same resources are preallocated to a group of users. Novel reliability enhancement techniques are therefore needed. This article provides an overview of grant-free random access in 5G New Radio focusing on the ultra-reliable low latency communication service class, and presents two reliability-enhancing solutions. The first proposes retransmissions over shared resources, whereas the second proposal incorporates grant-free transmission with non-orthogonal multiple access with overlapping transmissions being resolved through the use of advanced receivers. Both proposed solutions result in significant performance gains, in terms of reliability as well as resource efficiency. For example, the proposed non-orthogonal multiple access scheme can support a normalized load of more than 1.5 users/slot at packet loss rates of ~10^{-5} - a significant improvement over the maximum supported load with conventional grant-free schemes like slotted-ALOHA.

研究の動機と目的

• 5G New Radio（NR）におけるURLLCサービスの信頼性と遅延の課題を、無許可（GF）ランダムアクセスの改善によって解決すること。
• 共有リソース上のGFアクセスに内在する衝突リスクを克服し、高負荷状況下での信頼性を損なわないようにすること。
• スロット付きALOHAやK再送信といった従来のGF方式と比較して、リソース効率を向上させ、送信遅延を低減すること。
• 産業自動化やV2Xアプリケーションを含む、高負荷のURLLCトラフィックをサポートするため、新しい送信および受信設計を実現すること。
• SICや共同デコードといった高度な受信技術の実現可能性を検討し、重複するGF送信からの干渉を解消すること。

提案手法

• 初期送信に専用リソースを用い、その後共有無線リソース上でのブラインド再送信を実行することで信頼性を向上させるハイブリッドGF方式を提案する。
• 複数のユーザーが同じ時間周波数リソース上に同時に送信できるようにするGF-NOMA方式を導入し、パワー・ドメイン多重を用いる。
• 基地局受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、重複する送信をデコード可能なものとして処理し、干渉をノイズとして扱わない。
• 干渉の存在下でもダイバーシティゲインを向上させるために、複数の送信ブロックにわたる低レートチャネル符号化を適用する。
• fading および干渉の影響下でも性能を向上させるために、選択結合とチェース結合をダイバーシティ結合技術として用いる。
• さまざまなトラフィック負荷下でのシステム性能を評価し、アウトージ確率、遅延、スペクトル効率に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 専用初期アクセスと共有再送信を組み合わせたハイブリッドGF送信方式は、遅延を顕著に低減しつつ高い信頼性を維持できるか？
• RQ2 SICを用いた高度な受信機と組み合わせた非直交多重アクセス（NOMA）は、URLLCの無許可ランダムアクセスにおける負荷対応能力をどの程度向上できるか？
• RQ3 逐次干渉キャンセレーション（SIC）と共同デコードを用いることで、従来のGF方式と比較して過負荷状態のGF-NOMAシステムにおける信頼性はどのように向上するか？
• RQ4 10⁻⁵のターゲットアウトージ確率を満たす条件下で、GF-NOMA方式が達成可能な最大の正規化されたユーザー負荷（スロットあたりのユーザー数）はどの程度か？
• RQ5 選択結合やチェース結合といった異なる結合技術（例：選択結合、チェース結合）は、GF-NOMAシステムの信頼性および遅延性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• SICおよび共同デコードを備えた提案GF-NOMA方式は、パケット損失率が約10⁻⁵の条件下でスロットあたり1.5人を超える正規化された負荷をサポートでき、従来のGF方式と比較して顕著な改善を示している。
• ハイブリッド再送信方式は、従来のフィードバックベースの再送信方式と比較して送信遅延を約60％低減し、耐障害性の高い単一送信方式と比較してスペクトル効率が23％向上している。
• 逐次干渉キャンセレーション（SIC）により、重複するGF送信の信頼性の高い検出が可能となり、高負荷状態下でもシステムが信頼性を持って動作することが可能である。
• チェース結合および選択結合は測定可能な性能向上をもたらし、NOMAベースの方式では共同デコードがアウトージ性能をさらに改善している。
• 専用初期送信と共有再送信の組み合わせにより、反応型GF方式と比較して遅延尾を低減でき、URLLCアプリケーションにおけるエンドツーエンド遅延が改善されている。
• 提案方式は、標準の3GPP Release-15 GFソリューション（例：K再送信および反応型GF）と比較して、特に高負荷状態下において信頼性およびリソース効率の両面で優れている。