[论文解读] Analyzing Grant-Free Access for URLLC Service

Yan Liu, Yansha Deng+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2020

IoT Networks and Protocols参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文提出了一种时空分析框架，用于在基于竞争的资源接入下，利用三种基于HARQ的方案——反应式（Reactive）、K重传（K-repetition）和主动式（Proactive）——评估免调度（GF）上行链路接入在URLLC服务中的表现。该研究引入了潜在接入失败概率作为关键指标，并表明在短时延约束下，主动式GF的失败概率最低；而在较长延迟条件下，K重传方案表现更优，具体取决于K的取值。

ABSTRACT

5G New Radio (NR) is expected to support new ultra-reliable low-latency communication (URLLC) service targeting at supporting the small packets transmissions with very stringent latency and reliability requirements. Current Long Term Evolution (LTE) system has been designed based on grantbased (GB) (i.e., dynamic grant) random access, which can hardly support the URLLC requirements. Grant-free (GF) (i.e., configured grant) access is proposed as a feasible and promising technology to meet such requirements, especially for uplink transmissions, which effectively saves the time of requesting/waiting for a grant. While some basic GF access features have been proposed and standardized in NR Release-15, there is still much space to improve. Being proposed as 3GPP study items, three GF access schemes with Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) retransmissions including Reactive, K-repetition, and Proactive, are analyzed in this paper. Specifically, we present a spatiotemporal analytical framework for the contention-based GF access analysis. Based on this framework, we define the latent access failure probability to characterize URLLC reliability and latency performances. We propose a tractable approach to derive and analyze the latent access failure probability of the typical UE under three GF HARQ schemes. Our results show that under shorter latency constraints, the Proactive scheme provides the lowest latent access failure probability, whereas, under longer latency constraints, the K-repetition scheme achieves the lowest latent access failure probability, which depends on K. If K is overestimated, the Proactive scheme provides lower latent access failure probability than the K-repetition scheme.

研究动机与目标

• 为解决基于调度的接入在满足URLLC严格的1ms时延和1−10−5可靠性要求方面的局限性。
• 分析在5G NR中，基于竞争的免调度上行链路接入结合混合ARQ（HARQ）重传机制在URLLC服务中的性能。
• 构建一种可计算的时空分析框架，以评估不同GF HARQ方案下的可靠性与时延性能。
• 定义并计算潜在接入失败概率，作为URLLC可靠性与时延评估的统一指标。
• 在不同时延与负载条件下，对比三种GF HARQ方案——反应式、K重传和主动式——的性能表现。

提出的方法

• 提出一种结合随机几何与点过程模型的时空分析框架，用于分析基于竞争的GF接入中的干扰与中断情况。
• 利用泊松聚类过程建模下行链路与上行链路干扰，并推导出聚合同频与异频干扰的拉普拉斯变换。
• 引入潜在接入失败概率作为传输成功概率的补数，同时考虑干扰与反馈时序的影响。
• 利用二项式容斥原理与广义超几何函数，推导出K重传与主动式HARQ方案下传输成功概率的闭式表达式。
• 采用3GPP定义的K重传方案，并提出一种新型主动式方案，即无论反馈如何，重传均会进行，且仅在第4次重传之后才可获得反馈。
• 应用广义超几何函数 $_2F_1$ 建模干扰分布，并推导出小区间干扰的拉普拉斯变换。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同时延约束下，潜在接入失败概率在反应式、K重传和主动式免调度HARQ方案中如何变化？
• RQ2 K重传方案中的重传次数K对整体可靠性与时延性能有何影响？
• RQ3 在第4次重传之后反馈可用性对主动式HARQ方案性能的影响，相较于反应式方案如何？
• RQ4 在何种条件下，主动式方案在接入失败概率方面优于K重传方案？
• RQ5 所提出的分析框架如何准确捕捉基于竞争的免调度上行链路接入中可靠性与时延之间的权衡关系？

主要发现

• 在短时延约束下（例如1ms），由于主动式HARQ方案采用主动重传策略，其潜在接入失败概率最低。
• 在较长时延约束下，K重传方案的失败概率低于主动式方案，其性能取决于K的取值。
• 若K被高估，主动式方案在失败概率方面优于K重传方案，表明K选择存在性能权衡。
• K重传方案的传输成功概率通过二项式系数与广义超几何函数 $_2F_1$ 推导出闭式表达式。
• 主动式方案的成功概率依赖于从第4次重传开始的反馈可用性，导致从第5次重传起干扰用户数量动态变化。
• 分析框架成功捕捉了干扰、反馈时序与重传策略之间的相互作用，实现了对URLLC免调度接入性能的准确评估。