Wireless RAN slicing of heterogeneous services for 5G and beyond systems: channel allocation and multiple access solutions

Abstract

Este trabalho considera o problema de compartilhamento de recursos de rádio entre usuários enhanced Mobile Broadband (eMBB) e Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC) conectados a uma mesma Base Station (BS) no escopo de 5G e além (B5G). Inicialmente, visando aumentar a confiabilidade do serviço eMBB, foi proposto o uso do método Max-Matching Diversity (MMD) para realizar a alocação de canais, considerando a divisão de recursos com base nos métodos de Multiple Acesso Ortogonal (OMA), Multiple Acesso Não Ortogonal (NOMA) e Multiple Acesso Híbrido (HMA). Os resultados indicam que a aplicação de MMD resulta em um aumento na taxa dados dos usuários do eMBB e na confiabilidade do serviço URLLC simultaneamente para todos os métodos de acesso múltiplo adotados. Além disso, mostra-se que o método HMA apresenta resultados superiores quando comparado ao OMA e NOMA. Posteriormente, foi utilizado o mesmo modelo de sistema, mas considerando múltiplos usuários URLLC que compartilham recursos entre si através do método Rate-Splitting Multiple Access (RSMA), onde um dispositivo URLLC divide sua transmissão em duas submensagens com potência parcial, que são potencialmente recuperadas na BS por Successive Interference Cancellation (SIC). Para estudar o desempenho desse método na presença de um usuário eMBB, foram consideradas as abordagens de fatiamento de rede OMA e NOMA. Como resultado, foi demonstrado que, em geral, o RSMA melhorou o desempenho em termos de taxa e confiabilidade, mesmo quando transmitindo simultaneamente com um usuário eMBB. Os resultados também mostraram que a taxa do URLLC pode ser aumentada ajustando adequadamente o fator de divisão de taxa com base na Signal to Noise Ratio (SNR) média, não exigindo Channel State Information (CSI). Para finalizar a tese, aplicamos o método MMD para atribuir usuários Grant-Based (GB) a canais, sendo que no mesmo recurso de rede que atende um usuário GB, um usuário Grant-Free (GF) é alocado por meio de um protocolo de contenção distribuído que considera o Quality-of-Service (QoS) do usuário GB, realizando o pareamento que cause o mínimo de interferência, para que a presença de um usuário GF seja transparente para o usuário GB. Ambos os usuários admitidos no mesmo recurso físico operam em NOMA ou RSMA, dependendo dos ganhos do canal. Expressões exatas para a probabilidade de outage deste sistema Semi-Grant-Free (SGF) são ornecidas e comparadas com resultados de simulação, mostrando que a estratégia de transmissão SGF com usuários GB auxiliados por MMD reduz a outage e aumenta a taxa alcançável de ambos os usuários.

Abstract: This work considers the problem of sharing radio resources between enhanced Mobile Broadband (eMBB) and Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC) users connected to a common Base Station (BS) in the scope of 5G and beyond (B5G). Initially, aiming to increase the reliability of the eMBB service, the use of the Max-Matching Diversity (MMD) method to perform channel allocation was proposed, considering the division of resources based on Orthogonal (OMA), Non-Orthogonal (NOMA) and Hybrid (HMA) multiple access. The results indicate that MMD is able to increase the data rate of eMBB users and the reliability of the URLLC service simultaneously for all multiple access methods under consideration. Furthermore, it is shown that the HMA method presents superior results when compared to OMA and NOMA. Subsequently, the same system model was used, but considering multiple URLLC users who share resources with each other through the Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) method, where a URLLC device splits its transmission into two sub-messages with partial power, which are potentially recovered in the BS through Successive Interference Cancellation (SIC). To study the performance of such method in the presence of a eMBB user, the OMA and NOMA slicing approaches were considered. As a result, it was shown that, in general, RSMA has improved performance in terms of rate and reliability, even when simultaneously transmitting with a eMBB user. The results also showed that the URLLC rate can be increased by properly adjusting the rate splitting factor based on the average signal-to-noise ratio (SNR), not requiring instantaneous Channel State Information (CSI). Finally, we apply the MMD method to assign Grant Based (GB) users to channels. In the same network resource that serves a GB user, one Grant-Free (GF) user is allocated through a distributed contention protocol that considers the Quality-of-Service (QoS) of the GB user, performing the pairing that causes the minimum interference, so that the presence of a GF user is transparent to the GB user. Both users admitted to the same physical resource operate in either NOMA or RSMA, depending on the channel gains. Exact expressions for the outage probability of this Semi-Grant-Free (SGF) system are provided and compared to simulation results, showing that the SGF transmissions with MMD-aided GB users strategy reduces the outage and increases the achievable rate of both users.