<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">CMC</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">CMC</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">CMC</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Computers, Materials &#x0026; Continua</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1546-2226</issn>
<issn pub-type="ppub">1546-2218</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">24824</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmc.2022.024824</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>HARQ Optimization for PDCP Duplication-Based 5G URLLC Dual Connectivity</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">HARQ Optimization for PDCP Duplication-Based 5G URLLC Dual Connectivity</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">HARQ Optimization for PDCP Duplication-Based 5G URLLC Dual Connectivity</alt-title>
</title-group>
<contrib-group content-type="authors">
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Lee</surname><given-names>Changsung</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff-3">3</xref></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Kim</surname><given-names>Junsung</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff-3">3</xref></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Jung</surname><given-names>Jaewook</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-3">3</xref></contrib>
<contrib id="author-4" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Baik</surname><given-names>Jungsuk</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-3">3</xref></contrib>
<contrib id="author-5" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Chung</surname><given-names>Jong-Moon</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-3">3</xref><email>jmc@yonsei.ac.kr</email></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>Samsung Research</institution>, <addr-line>Seoul, 06765</addr-line>, <country>Korea</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>Samsung Electronics</institution>, <addr-line>Suwon, 16677</addr-line>, <country>Korea</country></aff>
<aff id="aff-3"><label>3</label><institution>School of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University</institution>, <addr-line>Seoul, 03722</addr-line>, <country>Korea</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: Jong-Moon Chung. Email: <email>jmc@yonsei.ac.kr</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub" date-type="pub" iso-8601-date="2022-02-21"><day>21</day>
<month>02</month>
<year>2022</year></pub-date>
<volume>72</volume>
<issue>1</issue>
<fpage>727</fpage>
<lpage>738</lpage>
<history>
<date date-type="received"><day>01</day><month>11</month><year>2021</year></date>
<date date-type="accepted"><day>07</day><month>12</month><year>2021</year></date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2022 Lee et al.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Lee et al.</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_CMC_24824.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>Packet duplication (PD) with dual connectivity (DC) was newly introduced in the 5G New Radio (NR) specifications to meet the stringent ultra reliable low latency communication (URLLC) requirements. PD technology uses duplicated packets in the packet data convergence protocol (PDCP) layer that are transmitted via two different access nodes (ANs) to the user equipment (UE) in order to enhance the reliability performance. However, PD can result in unnecessary retransmissions in the lower layers since the hybrid automatic retransmission request (HARQ) operation is unaware of the transmission success achieved through the alternate DC link to the UE. To overcome this issue, in this paper, a novel duplication-aware retransmission optimization (DRO) scheme is proposed to reduce the resource usage induced by unnecessary HARQ retransmissions. The proposed DRO scheme can minimize the average channel use while satisfying the URLLC requirements. The proposed DRO scheme derives the optimal HARQ retransmission attempts for different ANs by solving a nonlinear integer programming (NLIP) problem. The performance of the proposed DRO scheme was evaluated using MATLAB simulation and is compared to the existing 5G HARQ support schemes. The simulations results show that the proposed DRO scheme can provide a 14.71&#x0025; and 15.11&#x0025; reduced average channel use gain compared to the selective data duplication upon failure (SDUF) scheme and latency-aware dynamic multi-connectivity algorithm (LADMA) scheme, respectively, which are the existing 5G PD schemes that use HARQ.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>5G networks</kwd>
<kwd>URLLC</kwd>
<kwd>dual connectivity</kwd>
<kwd>retransmission</kwd>
<kwd>packet duplication</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1"><label>1</label><title>Introduction</title>
<p>Ultra reliable low latency communication (URLLC) is one of the fifth generation (5G) mobile service modes that can support high reliability wireless networking with very low time delays. Although different design goals are required for different URLLC applications (e.g., autonomous driving, drone control, factory automation, remote surgery), one of the stringent quality of service (QoS) requirements for URLLC traffic is the 99.999&#x0025; reliability within 1&#x2005;ms packet latency [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>]. To support URLLC traffic in 5G networks, novel design concepts have been proposed in the physical (PHY) and medium access control (MAC) layers. For example, a short transmission time interval (sTTI) and faster processing speeds were applied to achieve the low latency requirements, and hybrid automatic repeat request (HARQ) was enhanced to achieve the high reliability requirements. However, in addition to the novel PHY and MAC designs, changes in the upper layers are also required to meet the stringent URLLC service requirements.</p>
<p>Dual connectivity (DC) was first introduced in the 3GPP Release 12 specifications in order to enable user equipment (UE) to access two different access nodes (ANs) simultaneously. The initial objective of DC was to achieve downlink (DL) data rate enhancement by splitting the user plane (UP) data, however, DC was recently extended to support reliability enhancements by exploiting packet duplication (PD). In the 3GPP Release 15 specifications, the PD functionality was adopted as a part of the packet data convergence protocol (PDCP) layer defined under the name PDCP duplication [<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>]. By duplicating URLLC packets in the PDCP layer and transmitting them through different ANs, an UE can obtain macro diversity. As a result, PD enables an UE to obtain not only higher transmission reliability, but reduced latency since it can alleviate the potential need for a retransmission.</p>
<p>However, PDCP duplication can give rise to unnecessary retransmissions if HARQ is operated in the lower layers. When duplicated packets are transmitted via different ANs, the packet delivered through one AN might be successful and the other packet sent through the other AN may be unsuccessful. In this case, the HARQ process will not be needed, but HARQ will be executed since the HARQ entity would be unaware of the successful packet delivery through the other AN. This redundant retransmission of HARQ will lead to a waste of radio resources. As the number of data traffic and connected devices in the mobile network increase, efficient management of radio resources become more essential in 5G networks [<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>]. In order to overcome this problem, a novel HARQ optimization scheme that cooperates with the PDCP duplication process is proposed. The original contributions of this paper are summarized as follows.
<list list-type="bullet">
<list-item><p>To minimize redundant wireless resource usage in PDCP duplication, the duplication-aware retransmission optimization (DRO) scheme is proposed.</p></list-item>
<list-item><p>The expected channel use model and the corresponding optimization statement is derived considering the HARQ latency and packet reliability model.</p></list-item>
<list-item><p>The optimal number of HARQ retransmission attempts for different ANs is derived by solving a nonlinear integer programming (NLIP) problem based on a gradient descent method.</p></list-item>
<list-item><p>The performance of DRO is compared to non-optimal retransmission control schemes such as selective data duplication upon failure (SDUF) and latency-aware dynamic multi-connectivity algorithm (LADMA), and the simulation results show that DRO can provide the lowest average channel use while satisfying the URLLC requirements.</p></list-item>
</list></p>
</sec>
<sec id="s2"><label>2</label><title>Related Work</title>
<p>Several papers have focused on the reliability enhancement of PDCP duplication in 5G networks. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>], the feasibility and effectiveness of PDCP duplication were investigated, where the numerical results show that PD can help satisfy the latency and reliability requirement of URLLC. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>], a reliability-oriented multi-connectivity (MC) concept was proposed based on PDCP duplication, which includes a novel admission mechanism to control the number of MC users. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>], an analytical study on the reliability of MC was conducted while considering HARQ retransmission. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>], the LADMA scheme was proposed to reduce the resource usage while satisfying the latency requirement, which activates MC only for users with a high latency violation probability. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>], the SDUF scheme was proposed to reduce the radio resource consumption by activating DC only upon a transmission failure on the primary link. However, the number of HARQ retransmissions and flexible numerology which have an effect on the overall latency are not considered in the previous PDCP duplication works.</p>
<p>Other papers have studied on the HARQ retransmission aspect in 5G networks. These works focused on HARQ and efficent resource allocation for single connected users. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>], an optimal resource allocation and repetition coding based HARQ retransmission scheme was proposed to minimize the necessary bandwidth required for URLLC traffic. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>], a novel resource allocation scheme for retransmissions was proposed, where corresponding analytical models for loss rates were derived. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>], a Pollaczek&#x2013;Khinchine (P-K) formula based quadratic optimization (PFQO) scheme was proposed, which can minimize the URLLC bandwidth requirement based on the queueing analysis of HARQ.</p>
</sec>
<sec id="s3"><label>3</label><title>System Model</title>
<p>Consider an UE which is connected to the master gNB (M-gNB) and the secondary gNB (S-gNB) simultaneously in the NR-NR DC (NR-DC) architecture [<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>], as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>. The index <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes one of the dual-connected gNBs, where <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> represents the M-gNB and <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> represents the S-gNB. Incoming URLLC packets of the M-gNB are duplicated in the PDCP layer, and transmitted via the M-gNB and S-gNB. Let <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) with respect to gNB <italic>i</italic>. For each gNB, incremental redundancy HARQ (IR-HARQ) is considered, where a packet is retransmitted if the UE fails to decode the received packet successfully. The index of transmission attempt for gNB <italic>i</italic> is <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the maximum number of transmission attempts for one packet. For example, <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> represents the initial transmission, and <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> represents a retransmission. For NR numerology, a flexible frame structure is considered. One slot consists of 14 orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) symbols, where 1 OFDM symbol duration is <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>14</mml:mn><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ms and subcarrier spacing (SCS) is <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> kHz (<inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>). In addition, mini-slots are considered for sTTIs, which can consist of 1&#x223C;13 OFDM symbols.</p>
<fig id="fig-1"><label>Figure 1</label><caption><title>Example of the NR-DC architecture when packet duplication occurs in the PDCP layer</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMC_24824-fig-1.png"/></fig>
<sec id="s3_1"><label>3.1</label><title>Packet Error Rate Model</title>
<p>A packet error occurs after a decoder fails to correct an erroneous packet, and thereby a retransmission of the erroneous packet is induced. Let <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the packet error rate (PER) at the <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>-th transmission attempt, which can be modeled as
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>exp</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>if&#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>th</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>if&#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>th</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mspace width="thickmathspace" /></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are parameters of the <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>-th transmission attempt when the modulation and coding scheme (MCS) is <italic>n</italic>, and <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>th</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the SINR threshold when the PER is 1 [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>]. The example of MCS parameters is provided in <xref ref-type="table" rid="table-1">Tab. 1</xref> [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>]. Consider that the channel is in the <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>-th state if the received SINR falls into the range of <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Based on the adaptive modulation and coding (AMC) scheme, MCS <italic>n</italic> is assigned for the <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>-th channel state, where the SINR threshold to the <inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>-th channel state <inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed as below [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>].
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>target</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<table-wrap id="table-1"><label>Table 1</label><caption><title>Example of MCS parameters</title></caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th align="left"/>
<th align="left">MCS 1</th>
<th align="left">MCS 2</th>
<th align="left">MCS 3</th>
<th align="left">MCS 4</th>
<th align="left">MCS 5</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left">Modulation</td>
<td align="left">BPSK</td>
<td align="left">QPSK</td>
<td align="left">QPSK</td>
<td align="left">16QAM</td>
<td align="left">16QAM</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Code rate</td>
<td align="left">1/2</td>
<td align="left">2/3</td>
<td align="left">5/6</td>
<td align="left">2/3</td>
<td align="left">5/6</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Bits/symbol</td>
<td align="left">1/2</td>
<td align="left">4/3</td>
<td align="left">5/3</td>
<td align="left">8/3</td>
<td align="left">10/3</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-136"><mml:math id="mml-ieqn-136"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">4447.4</td>
<td align="left">2068.5</td>
<td align="left">514.7</td>
<td align="left">850.9</td>
<td align="left">142.9</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-137"><mml:math id="mml-ieqn-137"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">2298.6</td>
<td align="left">1344.3</td>
<td align="left">3297.8</td>
<td align="left">372.3</td>
<td align="left">895.7</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-138"><mml:math id="mml-ieqn-138"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">5944.9</td>
<td align="left">1428.4</td>
<td align="left">7247.9</td>
<td align="left">3567.3</td>
<td align="left">1057.1</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-139"><mml:math id="mml-ieqn-139"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">11.104</td>
<td align="left">3.315</td>
<td align="left">1.759</td>
<td align="left">0.816</td>
<td align="left">0.339</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-140"><mml:math id="mml-ieqn-140"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</td>
<td align="left">21.012</td>
<td align="left">6.997</td>
<td align="left">6.196</td>
<td align="left">1.895</td>
<td align="left">1.657</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-141"><mml:math id="mml-ieqn-141"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">34.203</td>
<td align="left">10.569</td>
<td align="left">10.224</td>
<td align="left">3.378</td>
<td align="left">2.706</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-142"><mml:math id="mml-ieqn-142"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">&#x2212;1.212</td>
<td align="left">3.623</td>
<td align="left">5.502</td>
<td align="left">9.172</td>
<td align="left">11.660</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-143"><mml:math id="mml-ieqn-143"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">&#x2212;4.337</td>
<td align="left">127</td>
<td align="left">1.164</td>
<td align="left">4.946</td>
<td align="left">6.131</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula id="ieqn-144"><mml:math id="mml-ieqn-144"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">&#x2212;5.950</td>
<td align="left">&#x2212;1.629</td>
<td align="left">&#x2212;0.608</td>
<td align="left">3.841</td>
<td align="left">4.105</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s3_2"><label>3.2</label><title>Finite Block Length Model</title>
<p>Since URLLC packets are small in general, finite blocklength theory can be used to derive the amount of resource usage [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>]. An URLLC packet of <italic>L</italic> bits can be transmitted with the PER of <inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> based on channel use <inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with a given SINR <inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:msqrt><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>log</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>log</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the Shannon capacity based on the infinite blocklength and <inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>log</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mspace width="thickmathspace" /></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. As a result, the channel use <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be approximated as in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">(4)</xref>.
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3_3"><label>3.3</label><title>Packet Reliability Model</title>
<p>Since PDCP duplication is used in the NR-DC architecture, the reliability of the URLLC packet can be enhanced. Let <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>out</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. be the packet loss rate (PLR) of gNB <italic>i</italic>. Since a packet is considered to be lost after <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> transmission attempts, the packet delivery failure probability <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>out</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be defined as in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">(5)</xref>.
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>out</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
In the NR-DC architecture, the URLLC packet fails if both the original packet and the duplicated packet are lost at the M-gNB and S-gNB. Consequently, the packet reliability in the NR-DC architecture <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be modeled as in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-6">(6)</xref>.
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>out</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>out</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3_4"><label>3.4</label><title>Latency Model</title>
<p>Let <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the one-shot transmission latency from gNB <italic>i</italic>, which is defined as the duration from the time that a packet arrives at the lower layer of gNB <italic>i</italic>, to the time that a packet is decoded at the UE. Therefore, <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed as
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>gNB</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>proc</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DL</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>align</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DL\_Tx</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>UE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>proc</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>gNB</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>proc</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the gNB processing time (i.e., time to prepare transmission and make a scheduling decision) and <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DL</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>align</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the packet alignment time (i.e., time until the next monitoring occasion (MO)). In addition, <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DL</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the packet transmission time and <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>UE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>proc</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the UE processing time (i.e., time it takes to decode a received packet and prepare an ACK). Let <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the maximum latency after <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> transmission attempts of gNB <italic>i</italic>. Since a packet is retransmitted by HARQ after a decoding failure, <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed as
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>AC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>align</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>AC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ACK</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>align</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the ACK alignment time, and <inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ACK</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the ACK transmission time. In <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>, an example of the latency timeline is presented based on HARQ retransmission.</p>
<fig id="fig-2"><label>Figure 2</label><caption><title>URLLC latency timeline based on HARQ retransmission mechanism</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMC_24824-fig-2.png"/></fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s4"><label>4</label><title>Proposed Scheme</title>
<p>The proposed DRO technique is a selective duplication scheme [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>], where a duplicated packet of the S-gNB is transmitted only when an initial transmission of the M-gNB fails. Therefore, unnecessary transmissions of the duplicated packets are prevented and the total number of transmission attempts can be effectively reduced. <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref> shows an example of the selective duplication scheme when an initial transmission of the M-gNB fails. An incoming packet is duplicated in the PDCP layer of the M-gNB and the duplicated packet is forwarded to the S-gNB only after HARQ NACK reception. Otherwise, if the initial transmission of the M-gNB is successful, ACK is transmitted instead of NACK and the duplicated packet in the M-gNB is discarded. In addition to selective duplication, DRO derives the optimal number of maximum transmission attempts to minimize the radio resource consumption.</p>
<fig id="fig-3"><label>Figure 3</label><caption><title>Signaling flow of selective duplication, where duplicated packet forwarding and transmission is carried out only after HARQ NACK reception</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMC_24824-fig-3.png"/></fig>
<sec id="s4_1"><label>4.1</label><title>Problem Formulation</title>
<p>Let <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the total channel use to transmit an URLLC packet in the NR-DC system. The objective of the proposed DRO scheme is to derive the optimal number of maximum transmission attempts for each gNB that can minimize the expected channel use <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> under the URLLC QoS requirements. Therefore, the optimization statement can be formulated as
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:munder><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>minimize</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0; &#xA0;</mml:mtext><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-1">
<mml:math id="mml-ueqn-1" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>subject&#xA0; to&#xA0; &#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0;&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0; &#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where (C1) represents the URLLC reliability condition, in which the reliability <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be greater than the reliability requirement <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, (C2) represents the URLLC latency condition, in which the maximum transmission delay <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be smaller than the latency requirement <inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Due to the selective duplication scheme, packet transmission from the S-gNB is delayed for one-shot transmission and the feedback time from the M-gNB and additional signaling delay <inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>PD</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>delay</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, the maximum latency of each gNB can be rewritten as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-10">(10)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">(11)</xref>.
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>AC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>align</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>AC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>AC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>align</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>AC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>PD</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>Delay</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>AC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>align</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>AC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>one</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>In addition, (C3) represents the channel use condition. The channel use in the time-frequency plane can be derived by the required bandwidth resource <inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the required time resource <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the number of channel use per unit time per unit bandwidth <italic>k</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>]. Since the packet transmission time is allocated based on the OFDM symbol duration, <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DL</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed as
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DL</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">&#x2308;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>14</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">&#x2309;</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>14</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2308;</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2309;</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the ceiling function. In addition, (C4) represents the bandwidth constraint, where an URLLC packet can exploit the <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> bandwidth.</p>
<p><bold>Lemma 1.</bold> <italic>Suppose</italic> <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>for all</italic> <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula><italic>. If the maximum number of transmission attempts on the</italic> <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-th connection</italic> <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>increases from</italic> <inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>to</italic> <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula><italic>, then the expected channel use</italic> <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula><italic>. increases by</italic> <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>for</italic> <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula><italic>, and</italic> <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> <italic>for</italic> <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. &#x25A1;</p>
<p><italic>Proof</italic>. The expected channel use <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be expressed using the expected number of transmission attempts <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> as follows.
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
The expected number of transmission attempts for M-gNB can be derived as
</p>
<fig id="fig-7">
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMC_24824-fig-7.png"/>
</fig>
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula>
<p>However, the expected number of transmission attempts for the S-gNB can be derived as
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>since the S-gNB transmits a duplicated packet after transmission failure of the M-gNB. Therefore, the expected channel use <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be derived as
<disp-formula id="eqn-16"><label>(16)</label><mml:math id="mml-eqn-16" display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Therefore, the partial differentials of <inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be derived as
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
In addition, the partial differential <inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is satisfied since <inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. &#x25AA;</p>
<p>The approximation gap of <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was neglected from the computation for simplicity since it has almost no effect on the expected channel use and optimal solution (0.953&#x0025; error on average) based on the simulation results.</p>
</sec>
<sec id="s4_2"><label>4.2</label><title>DRO Scheme</title>
<p>Since <inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are integer values, the optimization statement of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">(9)</xref> becomes a NLIP problem. In addition, the expected channel use. <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> is a monotonically increasing function since <inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Then, the minimum channel use can be achieved by increasing the maximum number of transmission attempts of the gNB which has the least gradient value <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> until satisfying the reliability condition while not violating the latency condition. Therefore, the optimal number of maximum transmission attempts can be found iteratively based on Lemma 1. Basically, the DRO scheme is conducted by the M-gNB periodically to update the maximum transmission attempts according to the dynamic channel condition. The pseudo code of the DRO sc. he is presented in Algorithm 1.</p>
<p>As the input, the SINR measurements with respect to the reference signal are used, which are reported periodically from the UE. First, the maximum number of transmission attempts are initialized to 1 in line 1, then the DRO scheme iterates a loop until it achieves the URLLC requirements in line 2. The maximum latency <inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the reliability <inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are computed based on <inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DL</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in lines 3&#x2013;7. If the DRO scheme satisfies the URLLC requirements, it terminates the loop in lines 8&#x2013;9. Otherwise, the partial differentials <inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> are computed based on <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-17">(17)</xref> in lines 10&#x2013;11. Then, the maximum number of transmission attempts for gNB <italic>j</italic> is increased by 1, where <italic>j</italic> is an index of the gNB which least increases the expected channel use compared to the other gNBs in line 12&#x2013;13. To examine if any violation of the latency requirements occurs, the maximum latency <inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is updated in line 14. If the latency requirement is violated, <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is decreased by 1 and the maximum transmission attempts of the other gNB <inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is increased by 1 instead in lines 15&#x2013;17. If the latency requirement is violated after updating <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HARQ</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the loop is terminated since there exists no solution to satisfy the URLLC requirements in lines 18&#x2013;20. Otherwise, the iteration is repeated based on line 2.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5"><label>5</label><title>Performance Analysis</title>
<p>In this section, the performance of the DRO scheme is evaluated using MATLAB simulation, where the URLLC packet size was set to <inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>32</mml:mn></mml:math></inline-formula> bytes. The QoS parameters for URLLC packet transmission include the reliability requirement that was set to <inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the latency requirement which was set to <inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> ms. Based on UE capability 2 and NR numerology <inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the UE processing time <inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>UE</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>proc</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was set to <inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.161</mml:mn></mml:math></inline-formula> ms and the gNB processing time <inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>gNB</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>proc</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was set to <inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.098</mml:mn></mml:math></inline-formula> ms [<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>]. The packet alignment time <inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>DL</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>align</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was set to a 0&#x223C;1 OFDM symbol duration since 7 MOs per slot was considered. In addition, an ideal backhaul is assumed and the ACK transmission time <inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ACK</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>Tx</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was set to 1 OFDM symbol duration, where the ACK alignment time <inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ACK</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x005F;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>align</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was considered negligible.</p>
<p>In the simulation, NR gNBs form a hexagonal-shaped cellular coverage. The M-gNB is located at (&#x2212;50, 0), and the S-gNB is located at (50), where the carrier frequency is set to 3.5&#x2005;GHz. Since DC is activated in the cell edge regions and cell range extension (CRE) is considered, the UE is initially located at (&#x2212;10, 15) and moves toward (20, 15). The performance of the DRO scheme was compared with LADMA [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>] and SDUF [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>] when the maximum transmission attempts <inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is fixed to 2 and 3, respectively. A performance comparison of the reliability and the maximum latency performance (which are the two major URLLC QoS requirements) are presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Figs. 4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-5">5</xref>, respectively. In addition, a performance comparison of the average channel use (which is an objective performance metric of the DRO scheme) is presented in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref>.</p>
<fig id="fig-4"><label>Figure 4</label><caption><title>Simulation results with respect to the reliability performance</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMC_24824-fig-4.png"/></fig>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref>, the reliability of the DRO scheme is presented, where the black bold line represents the reliability condition (<inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The distance of the horizontal-axis represents the travel distance of the UE from the initial position. The simulation results show that the DRO scheme can satisfy the reliability condition regardless of the distance of the UE movement, for the range of interest. Since the DRO scheme reduces the maximum transmission attempts adaptively to minimize the average channel use, the reliability performance is degraded when the distance is 2 and 20, but the satisfaction of the reliability condition is always guaranteed within the range of interest. In addition, if the maximum transmission attempts for the S-gNB is set to be larger than the M-gNB, the reliability of DRO increases as the UE moves further away from the M-gNB. While SDUF can satisfy the reliability condition for all distances regardless of the maximum transmission attempts, LADMA can satisfy the reliability condition only when the maximum transmission attempts are 3. Since LADMA relies on packet retransmissions of the M-gNB until the latency budget condition, the reliability of LADMA decreases as the UE moves further away from the M-gNB.</p>
<fig id="fig-5"><label>Figure 5</label><caption><title>Simulation results with respect to the latency performance</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMC_24824-fig-5.png"/></fig>
<fig id="fig-6"><label>Figure 6</label><caption><title>Simulation results with respect to the average channel use performance</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMC_24824-fig-6.png"/></fig>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>, the maximum latency and average latency of the DRO scheme is presented, where the black bold line in (a) represents the latency condition (<inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>). The simulation results show that the DRO scheme can satisfy the latency condition regardless of the distance of the UE movement. Since the DRO scheme can reduce the maximum transmission attempts when the distance is increased, the maximum latency is reduced. In addition, DRO shows the lowest average latency performance for the cell edge region compared to the other schemes by reducing redundant retransmissions from the unreliable M-gNB. In terms of the average latency, DRO can provide a 11.41&#x0025; and 17.54&#x0025; gain when compared to SDUF with <inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, respectively, and can provide a 10.64&#x0025; and 16.67&#x0025; gain when compared to LADMA with <inline-formula id="ieqn-130"><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-131"><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, respectively.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref>, the average channel use of the DRO scheme is presented with respect to the distance of the UE movement. Based on the simulation results of <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Figs. 4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-5">5</xref>, the proposed DRO scheme can satisfy the URLLC QoS conditions for the entire range of interest. Furthermore, <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref> shows that the DRO scheme can provide the lowest average channel use compared to LADMA and SDUF for the entire range of interest. Under the feasible region of the URLLC QoS conditions, the DRO scheme can provide a 11.64&#x0025; and 17.78&#x0025; reduced average channel use when compared to SDUF with <inline-formula id="ieqn-132"><mml:math id="mml-ieqn-132"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-133"><mml:math id="mml-ieqn-133"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, respectively, and can provide a 12.44&#x0025; and 17.77&#x0025; reduced average channel use when compared to LADMA with <inline-formula id="ieqn-134"><mml:math id="mml-ieqn-134"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-135"><mml:math id="mml-ieqn-135"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, respectively.</p>
</sec>
<sec id="s6"><label>6</label><title>Conclusion</title>
<p>In this paper, a PD aware HARQ retransmission scheme named DRO is proposed, which can minimize the average resource usage while satisfying the URLLC requirements in the NR-DC architecture. The proposed DRO scheme derives the optimal value of the maximum transmission attempts for each gNB based on the average channel use. The simulation results show that the proposed DRO scheme can provide a significant performance gain compared to the existing PD schemes, which include LADMA and SDUF.</p>
</sec>
</body>
<back>
<fn-group>
<fn fn-type="other"><p><bold>Funding Statement:</bold> This work was supported by the Institute of Information &#x0026; communications Technology Planning &#x0026; Evaluation (IITP) grant funded by the South Korea government (MSIT, 2021-0-00040, Development of intelligent stealth technology for information and communication resources for public affairs and missions).</p></fn>
<fn fn-type="conflict"><p><bold>Conflicts of Interest:</bold> The authors declare that they have no conflicts of interest to report regarding the present study.</p></fn>
</fn-group>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>M.</given-names> <surname>Bennis</surname></string-name>, <string-name><given-names>M.</given-names> <surname>Debbah</surname></string-name> and <string-name><given-names>H. V.</given-names> <surname>Poor</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Ultrareliable and low-latency wireless communication: Tail, risk, and scale</article-title>,&#x201D; <source>Proceedings of the IEEE</source>, vol. <volume>106</volume>, no. <issue>10</issue>, pp. <fpage>1834</fpage>&#x2013;<lpage>1853</lpage>, <month>Oct</month><year>2018</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="other">3GPP, &#x201C;NR and NG-RAN overall description (Release 16),&#x201D; 3GPP TS 38.300 v16.2.0, Jul. <year>2020</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>F.</given-names> <surname>Xu</surname></string-name>, <string-name><given-names>P.</given-names> <surname>Zou</surname></string-name>, <string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Wang</surname></string-name>, <string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Cao</surname></string-name>, <string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Fang</surname></string-name> <etal>et al.,</etal></person-group> &#x201C;<article-title>Resource allocation for D2D communication in cellular networks based on stochastic geometry and graph-coloring theory</article-title>,&#x201D; <source>KSII Transactions on Internet and Information Systems</source>, vol. <volume>14</volume>, no. <issue>12</issue>, pp. <fpage>4946</fpage>&#x2013;<lpage>4960</lpage>, <year>2020</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>Z.</given-names> <surname>Li</surname></string-name>, <string-name><given-names>X.</given-names> <surname>Wang</surname></string-name>, <string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Zhang</surname></string-name>, <string-name><given-names>W.</given-names> <surname>Huang</surname></string-name> and <string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Tian</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Temporal and spatial traffic analysis based on human mobility for energy efficient cellular network</article-title>,&#x201D; <source>KSII Transactions on Internet and Information Systems</source>, vol. <volume>15</volume>, no. <issue>1</issue>, pp. <fpage>114</fpage>&#x2013;<lpage>130</lpage>, <year>2021</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Rao</surname></string-name> and <string-name><given-names>S.</given-names> <surname>Vrzic</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Packet duplication for URLLC in 5G: Architectural enhancements and performance analysis</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Network</source>, vol. <volume>32</volume>, no. <issue>2</issue>, pp. <fpage>32</fpage>&#x2013;<lpage>40</lpage>, <year>2018</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>N. H.</given-names> <surname>Mahmood</surname></string-name>, <string-name><given-names>M.</given-names> <surname>Lopez</surname></string-name>, <string-name><given-names>D.</given-names> <surname>Laselva</surname></string-name>, <string-name><given-names>K.</given-names> <surname>Pedersen</surname></string-name> and <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Berardinelli</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Reliability oriented dual connectivity for URLLC services in 5G new Radio</article-title>,&#x201D; in <conf-name>2018 15th Int. Symp. on Wireless Communication Systems (ISWCS)</conf-name>, <conf-loc>Lisbon, Portugal</conf-loc>, pp. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>, <year>Aug. 2018</year>. </mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>N. H.</given-names> <surname>Mahmood</surname></string-name>, <string-name><given-names>A.</given-names> <surname>Karimi</surname></string-name>, <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Berardinelli</surname></string-name>, <string-name><given-names>K. I.</given-names> <surname>Pedersen</surname></string-name> and <string-name><given-names>D.</given-names> <surname>Laselva</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>On the resource utilization of multi-connectivity transmission for URLLC services in 5G new Radio</article-title>,&#x201D; in <conf-name>2019 IEEE Wireless Communications and Networking Conf. Workshops (WCNCW)</conf-name>, <conf-loc>Marrakech, Morocco</conf-loc>, pp. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>, <year>Apr. 2019</year>. </mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>N. H.</given-names> <surname>Mahmood</surname></string-name> and <string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Alves</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Dynamic multi-connectivity activation for ultra-reliable and low-latency communication</article-title>,&#x201D; in <conf-name>2019 16th Int. Symp. on Wireless Communication Systems (ISWCS)</conf-name>, <conf-loc>Oulu, Finland</conf-loc>, pp. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>5</lpage>, <year>Aug. 2019</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>M.</given-names> <surname>Centenaro</surname></string-name>, <string-name><given-names>D.</given-names> <surname>Laselva</surname></string-name>, <string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Steiner</surname></string-name>, <string-name><given-names>K.</given-names> <surname>Pedersen</surname></string-name> and <string-name><given-names>P.</given-names> <surname>Mogensen</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>System-level study of data duplication enhancements for 5G downlink URLLC</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Access</source>, vol. <volume>8</volume>, pp. <fpage>565</fpage>&#x2013;<lpage>578</lpage>, <year>2020</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>A.</given-names> <surname>Anand</surname></string-name> and <string-name><given-names>G. d.</given-names> <surname>Veciana</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Resource allocation and HARQ optimization for URLLC traffic in 5G wireless networks</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Journal on Selected Areas in Communications</source>, vol. <volume>36</volume>, no. <issue>11</issue>, pp. <fpage>2411</fpage>&#x2013;<lpage>2421</lpage>, <year>2018</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>S. E.</given-names> <surname>Elayoubi</surname></string-name>, <string-name><given-names>P.</given-names> <surname>Brown</surname></string-name>, <string-name><given-names>M.</given-names> <surname>Deghel</surname></string-name> and <string-name><given-names>A.</given-names> <surname>Galindo-Serrano</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Radio resource allocation and retransmission schemes for URLLC over 5G networks</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Journal on Selected Areas in Communications</source>, vol. <volume>37</volume>, no. <issue>4</issue>, pp. <fpage>896</fpage>&#x2013;<lpage>904</lpage>, <year>2019</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>H.</given-names> <surname>Jang</surname></string-name>, <string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Kim</surname></string-name>, <string-name><given-names>W.</given-names> <surname>Yoo</surname></string-name> and <string-name><given-names>J. -M.</given-names> <surname>Chung</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>URLLC mode optimal resource allocation to support HARQ in 5G wireless networks</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Access</source>, vol. <volume>8</volume>, pp. <fpage>126797</fpage>&#x2013;<lpage>126804</lpage>, <year>2020</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="other">3GPP, &#x201C;Multi-connectivity; Overall description (Release 16),&#x201D; 3GPP TS 37.340 v16.7.0, Sep. <year>2021</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>J.</given-names> <surname>Ramis</surname></string-name> and <string-name><given-names>G.</given-names> <surname>Femenias</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Cross-layer design of adaptive multirate wireless networks using truncated HARQ</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Vehicular Technology</source>, vol. <volume>60</volume>, no. <issue>3</issue>, pp. <fpage>944</fpage>&#x2013;<lpage>954</lpage>, <year>2011</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>H. D.</given-names> <surname>Le</surname></string-name>, <string-name><given-names>C. T.</given-names> <surname>Nguyen</surname></string-name>, <string-name><given-names>V. V.</given-names> <surname>Mai</surname></string-name> and <string-name><given-names>A. T.</given-names> <surname>Pham</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>On the throughput performance of TCP cubic in millimeter-wave cellular networks</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Access</source>, vol. <volume>7</volume>, pp. <fpage>178618</fpage>&#x2013;<lpage>178630</lpage>, <year>2019</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><given-names>Y.</given-names> <surname>Polyanskiy</surname></string-name>, <string-name><given-names>H. V.</given-names> <surname>Poor</surname></string-name> and <string-name><given-names>S.</given-names> <surname>Verdu</surname></string-name></person-group>, &#x201C;<article-title>Channel coding rate in the finite blocklength regime</article-title>,&#x201D; <source>IEEE Transactions on Information Theory</source>, vol. <volume>56</volume>, no. <issue>5</issue>, pp. <fpage>2307</fpage>&#x2013;<lpage>2359</lpage>, <year>2010</year>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="other">3GPP, &#x201C;Email discussion/approval on converging the proposals for eURLLC processing timeline,&#x201D; 3GPP R1-1901472, Jan. <year>2019</year>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back>
</article>