Enhancement of Radio Access Technologies for 5G and Beyond Wireless Networks

Abstract

Recently, operators are creating services using 5G systems in various fields, e.g., manufacturing, automotive, health care, etc. 5G use cases include transmission of small packets using IoT devices to high data rate transmission such as high-definition video streaming. When a large-scale IoT device transmits a small packet, power saving is important, so it is necessary to disconnect from the base station and then establish a connection through random access to transmit data. However, existing random access procedures are difficult to satisfy various latency requirements. It is attractive to use a wide bandwidth of the millimeter wave spectrum for high data rate transmission. In order to overcome the channel characteristics, beamforming technology is applied. However, when determining a beam pair between a transmitter and a receiver, interference is not considered. In this dissertation, we consider the following three enhancements to enable 5G and beyond use cases: (i) Two-step random access procedure for delay-sensitive devices, (ii) self-uplink synchronization framework for solving preamble collision problem, and (iii) interference-aware beam adjustment for interference coordination. First, RAPID, two-step random access for delay-sensitive devices, is proposed to reduce latency requirement value for satisfying specific reliability. When devices, performing RAPID and contention-based random access, coexist, it is important to determine a value that is the number of preambles for RAPID to reduce random access load. Simulation results show that RAPID achieves 99.999% reliability with 80.8% shorter uplink latency, and also decreases random access load by 30.5% compared with state-of-the-art techniques. Second, in order to solve preamble collision problem, we develop self-uplink synchronization framework called EsTA. Preamble collision occurs when multiple devices transmit the same preamble. Specifically, we propose a framework that helps the UE to estimate the timing advance command using a deep neural network model and to determine the TA value. Estimation accuracy can achieve 98–99% when subcarrier spacing is 30 and 60 kHz. Finally, we propose IBA, which is interference-aware beam adjustment method to reduce interference in millimeter wave networks. Unlike existing methods of reducing interference by scheduling time and frequency resources differently, interference is controlled through beam adjustment. In IBA, it is important to reduce search space of finding new beam pair to reduce interference. In practical, it is impossible to search beam pair of all combinations. Therefore, through Monte Carlo method, we can reduce search space to achieve local optimum. IBA achieve enhancement of lower 50%throughput up to 50% compared with only applying beam adjustment. In summary, we propose a two-step random access, a self-uplink synchronization framework, and interference-aware beam adjustment for 5G and beyond use cases. Through these researches, we achieve enhancements of network performance such as latency and throughput compared with state-of-the-art techniques.

최근 사업자는 제조, 자동차, 헬스 케어 등 다양한 분야에서 5G 시스템을 사용하여 서비스를 만들고 있다. 5G 사용 사례에는 IoT 장치를 이용한 작은 패킷 전송에서고화질 비디오 스트리밍과 같은 고속 데이터 전송까지 포함된다. 대규모 IoT 장치가작은 패킷을 전송하는 경우 전력 소모 절약이 중요하므로 기지국과의 연결을 끊은다음 랜덤 액세스를 통해 다시 기지국과 연결하여 데이터를 전송해야한다. 그러나기존의 랜덤 액세스 절차는 다양한 지연시간 요건을 만족시키기 어렵다. 한편, 높은데이터 전송 속도를 위해 넓은 대역폭의 밀리미터파 대역을 사용한다. 이때, 밀리미터파 대역 채널 특성을 극복하기 위해 빔포밍 기술이 적용된다. 그러나 현재 5G표준에서 송신기와 수신기 사이의 빔 쌍을 결정할 때, 간섭은 고려되지 않는다. 이논문에서는 5G 및 그 이후의 네트워크에서 다양한 사용 사례를 지원하기 위해 다음세 가지 개선 사항을 고려한다. (i) 지연에 민감한 장치를 위한 2 단계 랜덤 액세스절차, (ii) 프리앰블 충돌 문제를 해결하기 위한 자체 상향링크 동기화 프레임 워크,그리고 (iii) 간섭을 줄이기 위한 간섭 인식 빔 조정이다. 첫째, 지연에 민감한 장치를 위한 2 단계 랜덤 액세스인 RAPID는 특정 신뢰도를 만족시키기 위한 지연시간을 줄이기 위해 제안되었다. RAPID와 경합 기반 랜덤 액세스를 수행하는 장치가 공존할 경우 RAPID가 랜덤 액세스 부하를 줄이기 위해 RAPID를 위해 할당되는 프리앰블 수를 결정하는 것이 중요하다. 시뮬레이션 결과에 따르면 RAPID는 99.999%의신뢰도를 만족시키는 지연시간을 최신 기술에 비해 80.8% 줄이면서, 랜덤 액세스부하를 30.5% 줄인다. 둘째, 프리앰블 충돌 문제를 해결하기 위해 자체 상향링크 동기화 프레임워크인 EsTA를 개발한다. 프리앰블 충돌은 여러 장치가 동일한 프리앰블을 전송할 때 발생한다. 구체적으로, 단말이 심층 신경망 모델을 사용하여 timing advance(TA) command를 추정하고 TA값을 결정하는 프레임 워크를 제안한다. 네트워크 시스템의 부반송파 간격이 30 및 60 kHz 일 때, TA command 추정 정확도는98–99%를 달성 할 수 있다. 마지막으로, 밀리미터파 네트워크에서 간섭을 줄이기 위한 간섭 인식 빔 조정 방법인 IBA를 제안한다. 시간과 주파수 자원을 다르게 예약하여 간섭을 줄이는 기존의 방법과 달리 IBA는 빔 조정을 통해 간섭을 제어한다.이 때, 간섭을 줄이기 위해 새로운 빔 쌍을 찾는 검색 공간을 줄이는 것이 중요하다.현실적으로 모든 빔 쌍의 조합을 검색하는 것은 불가능하다. 따라서 IBA는 Monte Carlo 방법을 통해 검색 공간을 축소하여 local optimum을 달성하도록 설계되어야한다. IBA는 5G 표준의 빔 조정 방법과 비교했을 때, 하위 50% throughput의 중간값이최대 50%까지 향상된다. 요약하면, 우리는 5G 및 그 이후의 다양한 사용 사례를 위해서 2 단계 랜덤 액세스, 자체 상향링크 동기화 프레임 워크, 그리고 간섭 인식 빔조정 방법을 제안한다. 이 연구를 통해 최신 기술에 비해 지연시간 및 처리량과 같은네트워크 성능이 향상된다.