[논문 리뷰] Multiple Preambles for High Success Rate of Grant-Free Random Access with Massive MIMO

Hao Jiang, Daiming Qu외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 20.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 13인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 다수의 짧은 프리앰블을 사용하는 슈퍼 프리앰블 기반 기법을 제안하여 대량 MIMO 시스템에서 무허가 랜덤 액세스의 성공률을 크게 향상시킨다. 대량 MIMO 채널의 준직교성 특성을 활용함으로써, 사용자 장비(UE) 검출 및 채널 추정이 신뢰성 있게 이루어지며, 프리앰블 자원 할당을 늘리지 않더라도 두 개 또는 세 개의 프리앰블을 사용하는 슈퍼 프리앰블을 통해 19개의 활성 UE 조건에서도 99% 이상의 성공률을 달성한다.

ABSTRACT

Grant-free random access (RA) with massive MIMO is a promising RA technique with low signaling overhead that provides significant benefits in increasing the channel reuse efficiency. Since user equipment (UE) detection and channel estimation in grant-free RA rely solely on the received preambles, preamble designs that enable high success rate of UE detection and channel estimation are very much in need to ensure the performance gain of grant-free RA with massive MIMO. In this paper, a super preamble consisting of multiple consecutive preambles is proposed for high success rate of grant-free RA with massive MIMO. With the proposed approach, the success of UE detection and channel estimation for a RA UE depends on two conditions: 1) it is a solvable UE; 2) its super preamble is detected. Accordingly, we theoretically analyze the solvable rate of RA UEs with multiple preambles and propose a reliable UE detection algorithm to obtain the super preambles of RA UEs by exploiting the quasi-orthogonality characteristic of massive MIMO. Theoretical analysis and simulation results show that turning a preamble into a super preamble consisting of two or three shorter preambles, the success rate of UE detection and channel estimation could be significantly increased using the proposed approach.

연구 동기 및 목표

• 프리앰블 충돌과 잘못된 채널 추정으로 인한 무허가 랜덤 액세스 성공률 저하 문제를 해결한다.
• 단일 프리앰블 설계의 한계로 인해 검출 가능한 UE 수가 제한되는 문제를 해결한다.
• 최소한의 신호 전송 오버헤드로 대규모 머신 타입 통신(mMTC)을 위한 고성능·저오버헤드 랜덤 액세스를 가능하게 한다.
• 대량 MIMO의 공간 multiplexing 이득을 활용한 신뢰성 있는 UE 검출 및 채널 추정 방법을 개발한다.
• 단일 프리앰블을 두 개 또는 세 개의 더 짧은 프리앰블으로 분할함으로써 자원 사용량을 늘리지 않으면서도 시스템 성능을 향상시킬 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 각 RA UE가 연속된 L개의 짧은 프리앰블을 전송하는 슈퍼 프리앰블 구조를 도입한다.
• 활성 UE들의 슈퍼 프리앰블 선택을 표현하기 위해 프리앰블 선택 행렬을 수립하여 동시 검출를 가능하게 한다.
• 대량 MIMO 채널의 준직교성을 활용하여 슈퍼 프리앰블을 해소할 수 있는 신뢰성 있는 UE 검출 알고리즘을 제안한다.
• 프리앰블 선택 행렬이 성공적으로 검출된 후, 행렬 역행렬 기법을 사용하여 채널 응답을 추정한다.
• 이론적 분석 결과, L이 증가할수록 프리앰블 선택 행렬이 전행렬 랭크를 가지는 확률이 증가하여 더 높은 해법 가능률을 확보할 수 있음을 입증한다.
• 독립적인 레이일리 fading 및 공간 상관성 있는 fading 채널 조건에서 성능을 시뮬레이션하여 강인성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 슈퍼 프리앰블 당 다수의 프리앰블을 사용할 경우, 대량 MIMO 시스템에서 랜덤 액세스 UE의 해법 가능성이 어떻게 영향을 받는가?
• RQ2 제안된 UE 검출 알고리즘이 대량 MIMO 채널의 준직교성을 활용하여 높은 성공률을 달성할 수 있는가?
• RQ3 채널 상관성(공간 상관성 있는 fading 대비 독립적인 fading)이 다중 프리앰블 기반 기법의 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 동시 액세스 UE 수가 증가할 경우, 제안된 방법에 따른 채널 추정의 NMSE는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 프리앰블 자원 할당을 늘리지 않으면서도 슈퍼 프리앰블을 단일 프리앰블 대신 사용할 경우, 무허가 랜덤 액세스의 성공률은 얼마나 향상될 수 있는가?

주요 결과

• L=2 또는 L=3인 슈퍼 프리앰블을 사용할 경우, 단일 프리앰블 시스템 대비 사용자 장비 검출 및 채널 추정의 성공률이 크게 향상된다.
• 독립적인 레이일리 fading 조건에서 제안된 UE 검출 알고리즘은 거의 완벽한 성능을 달성하며, L=2 및 L=3일 때 성공률 곡선이 해법 가능도 곡선과 매우 유사하게 일치한다.
• 공간 상관성 있는 fading 채널 조건에서도 성공률이 높게 유지되며, N=19개의 활성 UE 조건에서 99%의 성공률을 달성하여 현실적인 채널 조건에 대한 강인성을 입증한다.
• 동시 액세스 UE 수가 증가함에 따라 채널 추정의 NMSE는 약간만 증가하며, N=7일 때 약 1 dB 정도 상승하여 안정적인 추정 성능을 보인다.
• 동일한 총 프리앰블 길이 조건에서 L=2일 경우 세 배 이상, 단일 프리앰블 시스템 대비 10배 이상의 검출 가능한 UE 수를 확보할 수 있다.
• 이론적 분석과 시뮬레이션을 통해 프리앰블 선택 행렬이 전행렬 랭크를 가지는 확률이 높다는 것이 확인되었으며, 이는 신뢰성 있는 채널 추정을 보장한다.