[论文解读] Non-Orthogonal Random Access (NORA) for 5G Networks

Yanan Liang, Xu Li+2 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2017

IoT Networks and Protocols参考文献 28被引用 9

一句话总结

本文提出了一种名为非正交随机接入（NORA）的新式随机接入方案，专为5G网络设计，利用连续干扰消除（SIC）与到达时间差异技术，使多个用户设备（UE）可通过功率域复用同时传输，从而减少前导码碰撞与接入延迟。仿真结果表明，在高UE负载条件下，与传统正交随机接入（ORA）相比，NORA可将随机接入吞吐量提升30%以上，同时将前导码传输次数与接入延迟降低至多50%。

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.

研究动机与目标

• 解决因每小区数万个用户设备（UE）参与大规模机器类通信（mMTC）而导致的5G网络随机接入（RA）拥塞问题。
• 克服传统正交随机接入（ORA）在高UE密度下因前导码碰撞概率高与接入延迟大而带来的局限性。
• 提出一种新型RA方案，利用非正交多址接入原理，允许多个UE同时接入，以提升频谱效率并减轻网络拥塞。
• 分析NORA在非平稳UE到达情况下的瞬态行为，并推导出接入成功率、吞吐量与延迟等性能指标。

提出的方法

• 利用不同UE的到达时间差异，区分使用相同前导码的多个UE，实现在基站端的多前导码检测。
• 基于前导码检测获得的信道条件，在基站端应用连续干扰消除（SIC）技术，以解码多个同时传输的消息。
• 在上行链路中对发生碰撞的UE实施功率域复用，按接收信号功率从高到低的顺序进行解码。
• 采用马尔可夫链模型对系统进行建模，以分析在非泊松、非平稳UE到达过程下的瞬态行为。
• 推导出在考虑路径损耗、瑞利衰落与目标数据速率条件下，NORA组内UE的中断概率解析表达式。
• 利用推导出的中断概率，计算关键性能指标：接入成功率、吞吐量、前导码传输次数与接入延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高UE密度条件下，NORA相较于传统正交随机接入（ORA）如何降低前导码碰撞概率？
• RQ2 在大规模连接场景中，NORA在多大程度上提升了随机接入过程的接入成功率与吞吐量？
• RQ3 与ORA相比，NORA能否显著减少前导码重传次数与接入延迟？
• RQ4 随着UE数量的增加，特别是接近理论随机接入容量时，NORA的性能如何扩展？
• RQ5 功率域复用与SIC对NORA组内单个UE的中断概率有何影响？

主要发现

• 与传统ORA相比，NORA在高UE负载（如50,000个UE）条件下，随机接入吞吐量提升超过30%。
• 与ORA相比，NORA实现成功接入所需的前导码传输次数减少了约50%，显著降低了信令开销。
• 当总UE数接近随机接入容量时，NORA中成功接入UE的接入延迟相比ORA减少了一半。
• 基于路径损耗、瑞利衰落与目标数据速率，NORA组内UE的中断概率已实现解析推导，从而可实现性能的精确预测。
• 仿真结果证实，即使UE数量超过可用前导码数量，NORA仍能保持高接入成功率与低延迟。
• 所提出的解析模型能准确捕捉NORA在非平稳UE到达条件下的瞬态行为，验证了其在5G mMTC场景中的实际适用性。