[論文レビュー] A Survey on Low Latency Towards 5G: RAN, Core Network and Caching Solutions

Imtiaz Parvez, Ali Rahmati+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 160被引用数 42

ひとこと要約

本論文は、5Gネットワークにおける低遅延ソリューションについて包括的なサーベイを提示しており、無線アクセスネットワーク（RAN）、コアネットワーク、キャッシュ技術に焦点を当てている。SDN、NFV、MEC、エッジキャッシュを統合して使用することで、エンドツーエンド遅延を1 ms未満に抑えるアーキテクチャを提案している。主な貢献は、すべてのネットワークレイヤーにわたる遅延低減技術と、今後の標準化に向けた未解決の研究課題である。

ABSTRACT

The fifth generation (5G) wireless network technology is to be standardized by 2020, where main goals are to improve capacity, reliability, and energy efficiency, while reducing latency and massively increasing connection density. An integral part of 5G is the capability to transmit touch perception type real-time communication empowered by applicable robotics and haptics equipment at the network edge. In this regard, we need drastic changes in network architecture including core and radio access network (RAN) for achieving end-to-end latency on the order of 1 ms. In this paper, we present a detailed survey on the emerging technologies to achieve low latency communications considering three different solution domains: RAN, core network, and caching. We also present a general overview of 5G cellular networks composed of software defined network (SDN), network function virtualization (NFV), caching, and mobile edge computing (MEC) capable of meeting latency and other 5G requirements.

研究の動機と目的

• 5Gネットワークにおける超信頼性・低遅延通信（URLLC）を可能にする新技術を特定および分析すること。
• RAN、コアネットワーク、キャッシュにおけるアーキテクチャ的イノベーションが、エンドツーエンド遅延を1 ms未塔にまで低減する仕組みを検討すること。
• SDN、NFV、MEC、ネットワークスライシングが動的でソフトウェア定義の低遅延ネットワーク機能を実現する役割を評価すること。
• キャッシュ、モビリティ管理、プロトコル設計における低遅延アプリケーションのための未解決の研究課題と今後の方向性を強調すること。
• 統合されたRAN、コア、キャッシュソリューションが5Gの厳しい遅延および信頼性要件を満たす方法を統合的概要として提供すること。

提案手法

• 空きインターフェース遅延を低減するためのRAN技術に関するサーベイ：短いフレーム/パケット伝送、新しい波形、高度な変調・符号化、mmWaveキャリア結合。
• 制御プレーン遅延を最小限に抑えるために、動的で仮想化された分散型ネットワーク機能展開を可能にするSDNおよびNFVを用いたコアネットワークのイノベーションの分析。
• コンテンツの近接性とバックホール負荷の低減を目的とした、モバイルエッジコンピューティング（MEC）およびキャッシュ戦略（集中型および分散型）の検討。
• GTPトンネルの制限とコンテンツ指向キャッシュを含むプロトコルレベル最適化の評価を通じて、コンテンツ配信における遅延改善を検証。
• ユーザー移動中に遅延を維持するための、モビリティ対応キャッシュおよびハンドオーバー機構の検討。
• 2018年ペニョンチャンオリンピックでの実証実験を含む、5Gプロトタイプ展開の現地試験結果とフィールドトライアルの統合的分析。1 msの遅延を達成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RANレベルの技術、例えば短いフレーム、新しい波形、マッスィブMIMOは、5Gにおける空中インターフェース遅延をどのように低減できるか？
• RQ2 SDNとNFVは、低遅延コアネットワーク機能と動的リソース割り当てを実現するために果たす役割は何か？
• RQ3 MECを用いたエッジキャッシュは、コンテンツ配信遅延をどのように改善し、バックホール負荷を低減するか？
• RQ4 既存の4Gバックホールおよびコアネットワークプロトコル（例：GTP）とキャッシュを統合するにあたり、主な課題は何か？
• RQ5 キャッシュ対応の低遅延5Gネットワークにおいて、ユーザーモビリティとハンドオーバーをどのように管理すれば、ユーザーエクスペリエンスを劣化させずに済ませられるか？

主な発見

• 2018年ペニョンチャン5G実証実験で示されたように、RAN、コアネットワーク、キャッシュレイヤーにわたる調整最適化により、エンドツーエンド遅延1 msが達成可能である。
• SDNとNFVは、ネットワーク機能の柔軟でソフトウェア定義の制御を可能にし、制御プレーン遅延を低減するとともに、低遅延サービスのための迅速な再構成を可能にする。
• ネットワークエッジにおける分散型キャッシュは、VR/ARや遠隔手術などの高帯域幅アプリケーションにおいて、コンテンツ配信遅延を顕著に低減する。
• キャッシュシステムにおけるコンテンツ配置および配信戦略は、キャッシュサイズ、配置場所、無線チャネル状態を考慮して最適化される必要がある。これによりヒットレートと遅延の両方が最適化される。
• モビリティ管理は依然として課題であり、適切にキャッシュおよびネットワーク機能仮想化と連携されない場合、頻繁なハンドオーバーやユーザーモビリティが遅延性能を劣化させる可能性がある。
• 特にGTPトンネリングされた4Gバックホール環境において、コンテンツ指向キャッシュのプロトコル設計には未解決の問題が残っており、シームレスな統合のための新規標準化が求められている。