Extended summary of nonorthogonal random access for 5g mobile communication system

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Dipartimento di Ingegneria e Architettura
Corso di Laurea triennale in:
INGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA
Curriculum:
RETI DI TELECOMUNICAZIONE
EXTENDED SUMMARY OF NONORTHOGONAL RANDOM ACCESS FOR
5G MOBILE COMMUNICATION SYSTEM
Tesi di Laurea di: Christian Polo-Del Vecchio
Relatore: Prof. Massimiliano Comisso
Anno Accademico 2020/2021

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Sommario
INTRODUZIONE ...................................................................................................................3
FUNZIONAMENTO DEL NORA .........................................................................................3
Cos’è il NORA .................................................................................................................................................3
NORA-A e NORA-B .......................................................................................................................................4
Ricezione dei pacchetti tramite tecniche SIC................................................................................................4
ANALISI DEL SISTEMA.......................................................................................................5
Scelta dei parametri ottimali.........................................................................................................................5
Analisi delle prestazioni.................................................................................................................................6
Criticità...........................................................................................................................................................7
CONCLUSIONI ......................................................................................................................7

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INTRODUZIONE
A causa dell’aumento esponenziale del numero di dispositivi connessi ad internet e alla costante
crescita delle prestazioni richieste dalla rete, è stato necessario introdurre una nuova generazione
di reti: il 5G. Queste reti si stima siano in grado di garantire velocità di 1-2 Gb/s (più di 10 volte
superiori al 4G) con una latenza end-to-end di un solo millisecondo (meno di un ventesimo rispetto
al 4G). Per realizzare ciò è necessario introdurre nuove tecniche di accesso multiplo al canale,
dato che quelle convenzionali come lo S-ALOHA hanno un throughput massimo di soltanto 0.368
pacchetti / slot.
L’articolo di J.-B. Seo, B.C. Jung e H. Jin: “Nonorthogonal random access for 5G mobile communication
systems,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 67, Aug. 2018 propone due sistemi NORA (Nonorthogonal
Random Access) per le reti 5G: il NORA-A e il NORA-B; inoltre analizza la loro efficienza in termini
energetici e le loro prestazioni, dimostrando che il throughput massimo sfruttando queste tecniche
può raggiungere e superare 0,7 pacchetti / slot.
FUNZIONAMENTO DEL NORA
Cos’è il NORA
A differenza delle tecniche di accesso multiplo ortogonali, dove segnali di diversi utenti sono
facilmente distinguibili tra loro perché, ad esempio, trasmessi su bande diverse (FDMA) oppure su
slot temporali differenti (TDMA), nell’ accesso multiplo non ortogonale più utenti possono
condividere la stessa banda nello stesso istante di tempo. Ciò è possibile in quanto i pacchetti
verranno inviati sfruttando due diversi livelli di potenza: P1 e P2 (con P1 > P2).
Come per lo S-ALOHA, il tempo è diviso in slot di lunghezza costante, dove la durata di uno slot
coincide con il tempo di trasmissione di un pacchetto. Ogni utente inizialmente misura il guadagno
(Y) del canale in modo da tenere conto dell’affievolimento e del path-loss, per poi trasmettere il
pacchetto con una potenza tale che la base station (BS) lo riceva con P1 o P2.

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NORA-A e NORA-B
Nel NORA-A, se un utente (o più correttamente un User Equipment) rileva un guadagno di canale
Y ≥ β1 trasmetterà il pacchetto con probabilità μ e con una potenza tale che la BS lo riceverà con
P1; diversamente, se β2 ≤ Y < β1 trasmetterà sempre con probabilità μ, ma con potenza tale che
sia ricevuto con P2. Dove β2 è la soglia di interruzione: se Y< β2 il pacchetto non verrà trasmesso.
Nel NORA-B invece, l’area di copertura della BS è suddivisa in due regioni circolari concentriche:
nella regione 1 di raggio r ≤ rc i pacchetti saranno trasmessi con probabilità μ1 e con una potenza
ricevuta P1, analogamente nella regione 2 di raggio rc < r ≤ Rc saranno trasmessi con probabilità μ2
e con potenza ricevuta P2. Esistono infine due soglie di interruzione β1 e β2 rispettivamente per la
regione 1 e regione 2. Ogni utente può trasmettere il proprio pacchetto soltanto se il guadagno del
canale supera β1 o β2 in base alla propria posizione.
Ricezione dei pacchetti tramite tecniche SIC
La BS, affinché riesca a ricevere e decodificare più pacchetti simultaneamente, deve essere
provvista di un ricevitore che implementi la Successive Interference Cancelation (SIC).
Se due o più utenti trasmettono un segnale nello stesso istante di tempo, la BS riceverà la
sovrapposizione dei segnali trasmessi. L’idea alla base della tecnica SIC è decodificare il segnale
di un utente alla volta, ordinati in base alla loro potenza. Durante la decodifica del primo, il più
potente, tutti gli altri sono trattati come interferenza. Dopodiché questo primo segnale viene
sottratto da quello sovrapposto totale, in modo che si possa procedere con la decodifica del
secondo (di potenza minore).
L’articolo sopracitato propone due soli livelli di potenza, di conseguenza ciò che si può verificare in
un singolo slot temporale è che la BS riceva:
 Un singolo pacchetto con potenza P1 oppure P2. In questo caso il pacchetto verrà ricevuto
correttamente;
 Due pacchetti, uno ricevuto con P1 e l’altro con P2. Anche in questo caso entrambi i
pacchetti saranno decodificati correttamente sfruttando la tecnica SIC;

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 Un pacchetto con P1 e k pacchetti (k > 1) con P2. In questo caso è possibile decodificare
soltanto il pacchetto trasmesso con P1 se vale:
≥ 𝛾 [1]
dove 𝑁 è la potenza del rumore e 𝛾 è la soglia SINR (Signal to Interference plus Noise
Ratio);
 Più pacchetti con potenza P1 oppure soltanto pacchetti (più di uno) di potenza P2. In questi
casi nessun pacchetto può essere decodificato.
Gli utenti che non ricevono la conferma dell’avvenuta ricezione del pacchetto entro l’inizio dello slot
successivo saranno considerati backlogged e dovranno ripetere la trasmissione del pacchetto.
ANALISI DEL SISTEMA
Scelta dei parametri ottimali
L’articolo, in seguito, espone come effettuare una scelta ottimale delle soglie β1 e β2 e dei due
livelli di potenza. Valori di soglia bassi aumentano l’opportunità di accesso al canale; in questo
modo anche utenti con un guadagno di canale basso riusciranno ad accedervi, a discapito di un
aumento del consumo medio di potenza di trasmissione, in quanto tutti i pacchetti dovranno
comunque arrivare alla BS con P1 o P2. Per la scelta di questi, invece, bisogna tenere conto che
valori di potenza più elevati garantiscono maggior velocità di trasmissione a parità di banda ed
inoltre, se P1 è grande rispetto P2, il valore k può aumentare (si guardi la disequazione [1]). In altre
parole, se P1 è sufficientemente elevato, il pacchetto trasmesso con tale potenza verrà decodificato
correttamente anche nel caso arrivi contemporaneamente a k* pacchetti di potenza P2, dove k* è il
valore massimo di k che continua a garantire la corretta ricezione del pacchetto.
Nell’articolo gli autori hanno mostrato il risultato delle simulazioni di NORA-B effettuate con k* = 1
e con k* = 2, le quali dimostrano che nel secondo caso il throughput e l’efficienza energetica sono
leggermente superiori.

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Analisi delle prestazioni
Gli autori hanno cercato di massimizzare il throughput dei sistemi NORA-A e NORA-B rispetto alla
probabilità di trasmissione μ. Il primo è lievemente più performante per un numero basso di utenti;
ma con l’aumentare di questi, siccome ogni utente decide indipendentemente dalla propria
posizione con quale livello di potenza trasmettere, si verificano più collisioni con una conseguente
perdita di prestazioni rispetto al NORA-B. Il throughput massimo del primo sistema, infatti, non
supera lo 0,56 pacchetti / slot.
La fig.1 invece si focalizza sul NORA-B. Mostra come valori più bassi di μi producano un
throughput più elevato se gli utenti totali del sistema sono molti, a fronte di una perdita di
prestazioni quando questi sono pochi. Dove μi indica la probabilità di trasmissione (o ritrasmissione
per gli utenti backlogged) in entrambe le regioni.
Di conseguenza, per massimizzare le prestazioni del sistema, è necessario introdurre una
probabilità di trasmissione dinamica in modo che sia alta con pochi utenti e che diminuisca man
mano che aumenta il numero di presenze nel sistema. La soluzione ottima tracciata sul grafico è il
risultato di simulazioni basate su questo principio, effettuate ricercando di volta in volta il valore
ideale di μi tramite una ricerca esaustiva. In questo caso il throughput raggiunge un massimo di
0,65 pacchetti per slot, di molto superiore al tradizionale S-ALOHA privo di SIC.
Figura 1. Throughput del NORA-B e dello S-ALOHA a raffronto
Le simulazioni illustrate in figura sono state effettuate con k* = 1. Aumentando questo valore si può
ulteriormente migliorare le prestazioni del sistema: con k* = 4 si ottiene un throughput massimo di
0,717 pacchetti / slot. Bisogna tenere conto, tuttavia, che con l’aumentare di k* aumenta anche il
consumo medio di trasmissione.

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Criticità
In generale il NORA-B è migliore del NORA-A, ma mentre quest’ultimo è più facile da realizzare,
nel NORA-B gli utenti devono anche essere a conoscenza della loro distanza dalla BS per sapere
con quale potenza trasmettere i pacchetti. Inoltre, nella figura 1 si suppone che il numero di utenti
delle due regioni sia lo stesso, ma se così non fosse le prestazioni di entrambi i sistemi
diminuirebbero sensibilmente.
CONCLUSIONI
L’articolo propone due efficienti ed innovative tecniche di accesso multiplo al canale che,
sfruttando due diversi livelli di potenza per trasmettere i pacchetti, dimostrano come queste siano
decisamente più performanti rispetto allo S-ALOHA.
Queste tecniche NORA, unite allo sfruttamento di nuove frequenze radio, all’impiego di un numero
elevato di antenne e alla costante ricerca di nuove tecnologie, produrranno un aumento delle
performance della rete 5G che permetterà di far fronte ad un numero sempre maggiore di
dispositivi connessi ad internet.
BIBLIOGRAFIA
 J.-B. Seo, B. C. Jung and H. Jin, "Nonorthogonal random access for 5G mobile communication
systems", IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 67, no. 8, pp. 7867-7871, Aug. 2018.
 S. M. R. Islam, N. Avazo, O. A. Dobre, and K.-S. Kwak, “Power-domain non-orthogonal multiple
access (NOMA) in 5G systems: Potentials and challenges,” IEEE Commun. Surveys Tut., vol. 19,
no. 2, pp. 721–741, Second Quarter 2017.