[논문 리뷰] Uplink Grant-Free Random Access Solutions for URLLC services in 5G New Radio

Nurul Huda Mahmood, Renato Abreu외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 11.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 5G NR에서 URLLC를 위한 두 가지 고급 무허가 랜덤 액세스 방식을 제안하여 신뢰성과 자원 효율성을 햖थ한다. 첫 번째는 전용 초기 전송를 사용한 후 공유 자원을 통해 맹목적 재전송을 수행하는 방식이며, 두 번째는 무허가 액세스를 비정렬 다중접속(NOMA)과 수신기에서의 순차적 간섭 제거(SIC)와 결합한 방식이다. 두 방식 모두 성능을 크게 향상시키며, 특히 NOMA를 통해 10⁻⁵ 패킷 손실률에서 슬롯당 1.5명 이상의 사용자를 지원할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 5G 뉴 라디오(NR) 환경에서 URLLC 서비스의 신뢰성과 지연 문제를 해결하기 위해 무허가(GF) 랜덤 액세스를 향상시키는 것.
• 공유 자원을 통한 GF 액세스에서 내재된 충돌 위험을 해결하여 고부하 환경에서의 신뢰성을 향상시키는 것.
• 슬롯-알로하 및 K-반복과 같은 전통적인 GF 방식에 비해 자원 효율성과 전송 지연을 개선하는 것.
• 산업 자동화 및 V2X 응용 분야에서 고부하 URLLC 트래픽을 지원하기 위해 새로운 전송 및 수신기 설계를 통해 가능성을 확보하는 것.
• SIC 및 공동 디코딩과 같은 고급 수신기 기법의 가능성을 탐색하여 중복 GF 전송으로 인한 간섭을 해결하는 것.

제안 방법

• 초기 전송에 전용 자원을 사용하고, 이후 공유 무선 자원을 통해 맹목적 재전송을 수행하는 하이브리드 GF 방식을 제안한다.
• 다양한 사용자가 동일한 시간-주파수 자원을 동시에 사용할 수 있도록 전력 도메인 다중화를 이용한 GF-NOMA 방식을 도입한다.
• 기지국 수신기에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용하여 겹치는 전송을 디코딩하고, 간섭을 노이즈가 아닌 디코딩 가능한 신호로 간주한다.
• 다중 전송 블록에 걸쳐 저속도 채널 코딩을 적용하여 간섭 상황에서도 다각도 성능 향상과 신뢰성 확보.
• fading 및 간섭 상황에서 성능 향상을 위해 선택 병합 및 챈 콤비닝을 다각도 병합 기법으로 적용한다.
• 다양한 트래픽 부하 조건 하에서 시스템 성능을 평가하며, 장애 확률, 지연, 스펙트럼 효율성에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전용 초기 액세스와 공유 재전송을 조합한 하이브리드 무허가 전송 방식이 지연을 크게 줄이고도 높은 신뢰성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 고급 수신기와 함께 비정렬 다중접속(NOMA)이 무허가 랜덤 액세스의 지원 부하를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 순차적 간섭 제거(SIC) 및 공동 디코딩을 적용할 경우 기존 GF 방식에 비해 과부하 상태의 GF-NOMA 시스템에서의 신뢰성은 어떻게 향상되는가?
• RQ4 목표 장애 확률 10⁻⁵에서 GF-NOMA로 달성 가능한 최대 정규화된 사용자 부하(슬롯당 사용자 수)는 얼마인가?
• RQ5 다양한 병합 기법(예: 선택 병합, 챈 병합)은 GF-NOMA 시스템의 신뢰성 및 지연 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SIC 및 공동 디코딩을 적용한 제안된 GF-NOMA 방식은 약 10⁻⁵의 패킷 손실률에서 슬롯당 1.5명 이상의 사용자를 지원할 수 있으며, 기존 GF 방식에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 하이브리드 재전송 방식은 전통적인 피드백 기반 재전송 방식 대비 약 60%의 전송 지연 감소를 기록했으며, 강건한 단일 전송 방식 대비 스펙트럼 효율성에서 약 23% 향상된 성과를 보였다.
• 순차적 간섭 제거(SIC)는 겹치는 GF 전송의 신뢰성 있는 검출을 가능하게 하여 고부하 조건에서도 안정적인 시스템 운영을 가능하게 했다.
• 챈 콤비닝 및 선택 병합은 측정 가능한 성능 향상을 제공했으며, 공동 디코딩은 NOMA 기반 방식의 장애 성능을 추가로 향상시켰다.
• 전용 초기 전송과 공유 재전송의 조합은 반응형 GF 방식 대비 지연 꼬리(latency tail)를 감소시켜 URLLC 응용의 종단 간 지연을 개선했다.
• 제안된 방식은 표준 3GPP 릴리스-15 GF 솔루션(예: K-반복 및 반응형 GF)보다 높은 신뢰성과 자원 효율성에서 뛰어난 성능을 보였으며, 특히 고부하 상황에서 두각을 나타냈다.