[논문 리뷰] An overview of physical layer design for Ultra-Reliable Low-Latency Communications in 3GPP Release 15 and Release 16

Trung-Kien Le, Umer Salim외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 10.

Wireless Body Area Networks인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 3GPP 릴리스 15 및 16에서 초고신뢰성·저지연 통신(URLLC)을 위한 물리계층 기술에 대한 종합적인 개요를 제공하며, 유연한 숫자화, 마이크로슬롯, 프리에임프션, 구성된 그랜트, 향상된 PDCCH 모니터링이 지연을 줄이고 신뢰성을 향상시키는 방식을 상세히 설명한다. 주요 기여는 이러한 기능들이 10⁻⁵ 블록 오류율과 1ms 유저 평면 지연 성능 목표를 달성하는 방식을 체계적으로 분석한 점이며, 릴리스 16에서는 산업 및 차량용 응용 분야에서 10⁻⁶의 신뢰성과 밀리초 이하의 지연을 지원하기 위한 추가적인 향상 조치가 포함되어 있다.

ABSTRACT

For the fifth generation (5G) wireless network technology, the most important design goals were improved metrics of reliability and latency, in addition to network resilience and flexibility so as to best adapt the network operation for new applications such as augmented virtual reality, industrial automation and autonomous vehicles. That led to design efforts conducted under the subject of ultra-reliable low-latency communication (URLLC). The technologies integrated in Release 15 of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) finalized in December 2017 provided the foundation of physical layer design for URLLC. New features such as numerologies, new transmission schemes with sub-slot interval, configured grant resources, etc., were standardized to improve mainly the latency aspects. 5G evolution in Release 16, PHY version finalized in December 2019, allows achieving improved metrics for latency and reliability by standardizing a number of new features. This article provides a detailed overview of the URLLC features from 5G Release 15 and Release 16, describing how these features permit URLLC operation in 5G networks.

연구 동기 및 목표

• 5G 뉴 라디오의 URLLC에 대해 엄격한 신뢰성 및 지연 요구사항을 충족시키기 위한 물리계층 설계 과제를 분석하기 위해.
• 3GPP 릴리스 15에서 표준화된 핵심 물리계층 기술을 식별하고 설명하여 저지연 및 고신뢰성 전송을 가능하게 하는 바탕을 제공하기 위해.
• 릴리스 16에서 도입된 향상 조치를 상세히 기술하여 URLLC 성능을 더욱 향상시키고, 특히 릴리스 15 목표를 초월해 지연을 줄이고 신뢰성을 높이는 데 기여하기 위해.
• 산업 자동화 및 자율 주행 차량과 같은 임무 핵심 응용 분야를 지원하기 위해 이러한 기능들이 통합적으로 어떻게 작동하는지를 종합적으로 개괄하기 위해.
• 향후 3GPP 릴리스를 위한 연구 기반을 마련하기 위해 피드백 향상 및 비허가 대역 호환성과 같은 열린 과제를 식별하기 위해.

제안 방법

• OFDM 심볼 지속시간을 단축하고 짧은 전송 시간 간격을 가능하게 하기 위해 15–240 kHz의 서브캐리어 간격을 갖는 유연한 숫자화를 도입하여.
• 슬롯 경계를 기다리지 않고 즉시 전송이 가능하게 하기 위해 마이크로슬롯(2, 4 또는 7개의 OFDM 심볼)을 도입하여 하위슬롯 스케줄링을 통해 액세스 지연을 감소시켜.
• gNB가 eMBB 전송을 절단하여 URLLC 패킷의 우선 전송을 보장하기 위해 다운링크 프리에임프션을 구현하며, eMBB UE에게 오류를 방지하기 위해 프리에임프션 표시(PI) 신호를 전송하여.
• UE가 스케줄링 요청이나 동적 그랜트 없이 전송할 수 있도록 업링크 구성된 그랜트(CG) 전송을 표준화하여 지연을 감소시키고 신뢰성을 높이기 위해 블라인드 반복을 허용하여.
• 고부하 환경에서의 검출 신뢰성을 향상시키기 위해 블라인드 복원 후보 수를 늘리고 여러 검색 공간을 지원함으로써 PDCCH 모니터링을 향상시켜.
• 각 BWP당 최대 12개의 활성 CG 구성과 별도의 DCI 기반 활성화를 도입하여 HARQ 프로세스 경계를 넘어서도 모든 구성된 반복 전송이 중단 없이 이루어지도록 하여.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3GPP 릴리스 15에서의 유연한 숫자화와 마이크로슬롯은 URLLC에 대한 물리계층 지연을 어떻게 줄이는가?
• RQ2 eMBB 디코딩을 방해하지 않으면서 다운링크 프리에임프션은 URLLC 트래픽을 eMBB 트래픽보다 우선 처리하기 위해 어떤 메커니즘을 사용하는가?
• RQ3 업링크 구성된 그랜트 전송은 피드백 없이도 신호 전송 오버헤드를 어떻게 제거하고 URLLC 환경에서 지연을 어떻게 개선하는가?
• RQ4 릴리스 16에서의 향상 조치는 다수의 CG 구성이 사용될 경우 HARQ 프로세스 경계를 넘어서도 신뢰성 있는 전송을 어떻게 보장하는가?
• RQ5 PDCCH 모니터링 향상과 새로운 DCI 포맷은 URLLC 시스템에서 신뢰성 향상과 피드백 지연 감소에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 3GPP 릴리스 15는 유연한 숫자화, 마이크로슬롯, 구성된 그랜트를 통해 1ms 유저 평면 지연과 10⁻⁵ 블록 오류율(BLER)을 달성하였다.
• 다운링크 프리에임프션은 지속적인 eMBB 전송에서 자원을 재할당하여 URLLC 패킷을 즉시 전송할 수 있도록 하며, gNB가 프리에임프션 표시를 신호로 전송하여 eMBB 디코딩 오류를 방지한다.
• 업링크 구성된 그랜트(Type 1 및 Type 2)는 피드백 없이도 전송을 블라인드 반복할 수 있도록 하여 지연을 감소시키고 일부 구성에서는 신뢰성을 최대 10⁻⁶까지 향상시킨다.
• 릴리스 16는 BWP당 최대 12개의 활성 CG 구성이 가능하게 하여 UE가 단일 HARQ 프로세스 간격 내에서 모든 구성된 반복 전송을 수행할 수 있도록 하여 프로세스 경계에서의 중단을 제거한다.
• 최대 16개의 검색 공간과 16단계의 CCE 집합 수준을 지원하는 향상된 PDCCH 모니터링은 고부하 환경에서의 검출 신뢰성을 향상시켜 더 신뢰성 높은 URLLC 스케줄링을 지원한다.
• HARQ 프로세스 번호 필드의 하위 4비트를 사용하여 다수의 CG 구성에 대한 DCI 기반 활성화를 가능하게 하여 최대 16개의 구성에 대해 세밀하고 별도의 활성화를 제공함으로써 자원 할당의 유연성을 향상시킨다.