[논문 리뷰] Non-Orthogonal Random Access (NORA) for 5G Networks

Yanan Liang, Xu Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 03.

IoT Networks and Protocols참고 문헌 28인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 5G 네트워크를 위한 새로운 랜덤 액세스 방식인 비직교 랜덤 액세스(NORA)를 제안한다. 이 방식은 순차적 인터패런스 제거(SIC)와 도착 시간 차이를 활용하여 다수의 UE가 전력 도메인 다중화를 통해 동시에 전송할 수 있도록 하여 프리앰블 충돌과 액세스 지연을 줄인다. 시뮬레이션 결과, 기존의 정규화된 랜덤 액세스(ORA)에 비해 NORA는 랜덤 액세스 처리량을 30퍼센트 이상 향상시키고, 프리앰블 전송 횟수와 액세스 지연을 최대 50퍼센트 감소시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 셀당 수천 명의 UE가 포함된 매크로 기계 유형 통신(mMTC)으로 인해 증가하는 랜덤 액세스(RA) 혼잡 문제를 해결하기 위해.
• 고밀도 UE 환경에서 높은 프리앰블 충돌 확률과 액세스 지연 문제를 겪는 기존의 정규화된 랜덤 액세스(ORA)의 한계를 극복하기 위해.
• 비직교 다중 액세스 원리를 활용해 다수의 UE가 동시에 액세스할 수 있도록 하는 새로운 RA 체계를 제안하여 스펙트럼 효율성을 향상시키고 네트워크 혼잡을 줄이기 위해.
• 비정상적인 UE 도착 조건 하에서 NORA의 일시적 동작을 분석하고, 액세스 성공 확률, 처리량, 지연 등의 성능 지표를 유도하기 위해.

제안 방법

• 동일한 프리앰블을 전송하는 다수의 UE를 도착 시간의 차이를 이용해 구분하여 기지국에서 다중 프리앰블 검출을 가능하게 한다.
• 기지국에서 프리앰블 검출을 통해 추정한 채널 조건에 기반해 순차적 인터패런스 제거(SIC)를 적용하여 동시에 전송된 메시지를 복원한다.
• 업링크에서 충돌한 UE의 전력 도메인 다중화를 구현하며, 수신 전력의 내림차순 순서로 UE를 복원한다.
• 비포isson, 비정상적인 UE 도착 과정 하에서의 일시적 동작을 분석하기 위해 마르코프 체인을 사용하여 시스템을 모델링한다.
• 경로 손실, 레이일레이 페이딩, 목표 데이터 전송률을 고려하여 NORA 그룹 내 UE의 아웃리지 확률에 대한 해석적 표현을 도출한다.
• 유도된 아웃리지 확률을 바탕으로 주요 성능 지표를 계산한다: 액세스 성공 확률, 처리량, 프리앰블 전송 횟수, 액세스 지연.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고밀도 UE 환경에서 기존의 정규화된 랜덤 액세스(ORA)에 비해 NORA는 어떻게 프리앰블 충돌 확률을 줄이는가?
• RQ2 대규모 연결 환경에서 NORA는 액세스 성공 확률과 처리량을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 NORA는 기존의 ORA에 비해 프리앰블 재전송 횟수와 액세스 지연을 상당히 줄일 수 있는가?
• RQ4 UE 수가 증가함에 따라 NORA의 성능은 어떻게 변화하는가? 특히 이론적 RA 용량 근처에서의 성능은 어떠한가?
• RQ5 전력 도메인 다중화와 SIC는 NORA 그룹 내 개별 UE의 아웃리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• NORA는 기존의 ORA에 비해 랜덤 액세스 처리량을 30퍼센트 이상 향상시키며, 특히 50,000명의 UE와 같은 고밀도 환경에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 성공적인 액세스를 위해 필요한 프리앰블 전송 횟수는 NORA에서 ORA 대비 약 50퍼센트 감소하여 신호 지연을 크게 줄였다.
• 총 UE 수가 RA 용량에 가까워질 경우, NORA에서는 성공적으로 액세스한 UE의 액세스 지연이 ORA 대비 절반으로 줄어든다.
• NORA 그룹 내 UE의 아웃리지 확률은 경로 손실, 레이일레이 페이딩, 목표 데이터 전송률을 고려하여 해석적으로 도출되었으며, 이는 정확한 성능 예측을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과, 프리앰블 수보다 많은 UE 수가 존재하는 상황에서도 NORA는 높은 액세스 성공 확률과 낮은 지연을 유지함을 확인하였다.
• 제안된 해석적 모델은 비정상적인 UE 도착 조건 하에서 NORA의 일시적 동작을 정확히 반영하여, 5G mMTC 환경에서의 실용적 관련성을 입증하였다.