[논문 리뷰] Smart City Enabled by 5G/6G Networks: An Intelligent Hybrid Random Access Scheme

Huimei Han, Wenchao Zhai외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 16.

IoT Networks and Protocols참고 문헌 12인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 5G/6G 기반 스마트 시티에서 다수의 기계 유형 통신(mMTC)과 초고신뢰성·저지연 통신(URLLC)이 공존하는 환경을 지원하기 위해 지능형 하이브리드 랜덤 액세스(IHRA) 방식을 제안한다. URLLC 기기의 경쟁 회피 액세스를 위해 주목적 기반 LSTM을 사용해 활성 기기 수를 예측하고, mMTC에 대해서는 경쟁 기반 및 TA 보조 전력 할당 방식을 조합함으로써, 다양한 QoS 요구사항을 충족하면서도 성공적인 액세스 확률을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) is the enabler for smart city to achieve the envision of the "Internet of Everything" by intelligently connecting devices without human interventions. The explosive growth of IoT devices makes the amount of business data generated by machine-type communications (MTC) account for a great proportion in all communication services. The fifth-generation (5G) specification for cellular networks defines two types of application scenarios for MTC: One is massive machine type communications (mMTC) requiring massive connections, while the other is ultra-reliable low latency communications (URLLC) requiring high reliability and low latency communications. 6G, as the next generation beyond 5G, will have even stronger scales of mMTC and URLLC. mMTC and URLLC will co-exist in MTC networks for 5G 6G-enabled smart city. To enable massive and reliable LLC access to such heterogeneous MTC networks where mMTC and URLLC co-exist, in this article, we introduce the network architecture of heterogeneous MTC networks, and propose an intelligent hybrid random access scheme for 5G/6G-enabled smart city. Numerical results show that, compared to the benchmark schemes, the proposed scheme significantly improves the successful access probability, and satisfies the diverse quality of services requirements of URLLC and mMTC devices.

연구 동기 및 목표

• 5G/6G 기반 스마트 시티에서 다양한 QoS 요구사항을 충족시키면서도 mMTC와 URLLC가 공존하는 환경을 지원하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• URLLC에 대해 저지연·고신뢰성 액세스를 보장하고 mMTC에 대해 대량의 액세스를 가능하게 하는 하이브리드 랜덤 액세스 메커니즘을 설계하기 위해.
• 예측된 URLLC 기기 부하에 기반해 다중 사용자 검출 파rameter를 동적으로 조정하여 한 번의 시도만으로도 성공적인 액세스를 보장하기 위해.
• 기존의 경쟁 기반 방식에 비해 전체 네트워크 액세스 성공 확률을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 제안된 IHRA 방식은 URLLC 기기의 이중 단계 경쟁 회피 액세스 절차를 사용하여 저지연성과 고신뢰성을 확보한다.
• mMTC 기기의 경우, 타이밍 어드밴스(TA) 인덱스를 사용해 기기를 구분하고 충돌을 줄이는 경쟁 기반 액세스 메커니즘을 적용한다.
• 주목적 기반 장기·단기 기억(Long Short-Term Memory, LSTM) 네트워크는 각 타임슬롯에서 활성화된 URLLC 기기의 수를 예측하여 다중 사용자 검출의 동적 파rameter 조정을 가능하게 한다.
• 전송 전력 수준은 RAR와의 TA 인덱스 일치에 기반해 할당되어 검출 신뢰성과 액세스 성공률을 향상시킨다.
• 장치 거리 매핑과 기기 식별을 지원하기 위해 정량화된 타이밍 어드밴스 단위 32Ts(156m)를 사용한다.
• 모델은 루트 평균 제곱 오차 손실 함수와 학습률 0.001을 사용하여 훈련되며, 평균 5의 포아송 분포를 따르는 활성 URLLC 기기(λ=5)를 기반으로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G/6G 스마트 시티 환경에서 하이브리드 랜덤 액세스 방식은 어떻게 다수의 기기 연결(mMTC)과 초고신뢰성·저지연 통신(URLLC)을 효율적으로 지원할 수 있는가?
• RQ2 주목적 기반 LSTM 모델은 활성 URLLC 기기 수를 정확히 예측할 수 있는가? 이를 통해 동적 자원 할당이 가능하고 한 번의 시도만으로도 액세스 성공을 보장할 수 있는가?
• RQ3 경쟁 기반 액세스 프레임워크 내에서 TA 보조 전력 할당은 mMTC 기기의 성공적 액세스 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존의 경쟁 기반 액세스 및 무작위 전력 할당 기반 대비 제안된 IHRA 방식의 성능은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 주목적 기반 LSTM 모델은 표준 LSTM보다 활성 URLLC 기기 수 예측에서 뛰어난 성능을 보이며, 각 타임슬롯에서 예측값이 실제값보다 작지 않게 일관되게 유지된다.
• 제안된 IHRA 방식은 기존의 전통적 경쟁 기반 방식(TARA)과 IHRA-랜덤 기반 대비 성공적인 mMTC 기기 액세스 수가 크게 증가한다. 특히 프리앰블 수가 증가할수록 그 효과가 두드러진다.
• 40개의 프리앰블과 80개의 활성 mMTC 기기를 가진 경우, 셀 크기가 커질수록 더 많은 고유한 TA 값이 발생하여 기기 간 분리도 향상되며, 이에 따라 성공적인 mMTC 기기 수가 증가한다.
• 활성 기기 수가 증가함에 따라 TARA 방식은 성공 액세스 수가 급격히 감소하는 반면, IHRA 방식은 높은 성능을 유지하여 하중이 증가하더라도 뛰어난 내구성을 보여준다.
• 예측된 기기 수가 과소평가되지 않는 한, 모든 활성 URLLC 기기들이 한 번의 시도만으로 네트워크에 성공적으로 액세스할 수 있도록 보장한다. 이는 5슬롯 윈도우 최대값을 활용한 보수적인 예측 전략 덕분이다.
• IHRA 방식의 TA 일치 기반 전력 할당 전략은 랜덤 전력 할당에 비해 모든 시험 환경에서 뛰어난 성능을 보이며 액세스 성공률을 크게 향상시킨다.