[論文レビュー] Next Generation New Radio Small Cell Enhancement: Architectural Options, Functionality and Performance Aspects

Mirza Golam Kibria, Kien Nguyen+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、5G NR小セル展開におけるリンクの耐障害性、信頼性、および動的経路選択を向上させるために、3GPPのLTE-NRデュアルコネクティビティ（DC）およびマルチアクセス集約とMulti-Path TCP（MPTCP）を統合する手法を提案する。複数の経路を同時に送信可能にし、障害時自動フェイルオーバーを実現することで、MPTCPはスルーレットを向上させ、二重経路環境下で障害発生確率を最大90％まで低減する。

ABSTRACT

The 3rd generation partnership project (3GPP) has been engaged in further advancing the evolved universal mobile telecommunications system (UMTS) terrestrial radio access network (E-UTRAN) and UTRAN based radio access network technologies. New radio (NR) is the 3rd generation partnership project (3GPP) endeavor for outlining and standardization of the 5th generation (5G) advanced radio access technology. 3GPP has released the first set of 5G NR standards, i.e., the non-standalone 5G radio specifications. As long-term evolution (LTE) technology is massively deployed and broadly accepted, the transition from LTE to 5G is very critical, and it is of maximal importance that the backward compatibility of 5G with LTE is considered. 3GPP has identified several architecture options for 5G. This article gives an overview of the NR architecture options, their deployment scenarios, and the key migration paths. The LTE-NR dual connectivity (DC) is presented. This DC scenario is unique in the sense that DC is being endowed for two different generations of 3GPP radio access technologies. We, further, present the integration of multipath transmission control protocol (MPTCP) with LTE-NR DC and DC-like aggregation, i.e., 3GPP-non-3GPP interworking to bring in the advantages of MPTCP in terms of link robustness, reliability and dynamic mapping between the traffic flows and the available paths. Finally, we discuss the future research and standardization directions of the next-generation networks.

研究の動機と目的

• 5G New Radio（NR）展開のアーキテクチャ的選択肢を分析すること、特にLTEからスタンドアロン5Gへの移行経路を含む。
• ミッションクリティカルなアプリケーションの信頼性ある通信を支援する上で、従来の3GPPデュアルコネクティビティ（DC）の限界を解決すること。
• Multi-Path TCP（MPTCP）を3GPP DCおよびマルチアクセス接続に統合し、リンクの耐障害性と動的トラフィック制御を向上させること。
• LTE、NR、および非3GPP（例：Wi-Fi、WiGig）インターフェースを組み合わせたマルチアクセス環境下でのMPTCPの性能向上効果を評価すること。
• 自己組織的で知的かつエネルギー効率の高い5G以降のネットワークを実現するための今後の標準化方向性を同定すること。

提案手法

• 12の3GPP規定の5Gアーキテクチャ的選択肢を分析し、NR展開および移行に向けたオプション2、3/3A、4/4A、5、7/7Aに焦点を当てる。
• LTE-NRデュアルコネクティビティ（DC）モデルを導入し、ユーザ機器（UE）が同時にLTEおよびNRの基地局（マクロおよび小セル）に接続可能であることを実現する。
• 3GPP DCおよび類似の集約技術とMPTCPを統合し、3GPPおよび非3GPPの異種アクセス技術（3GPPおよび非3GPP）を介したマルチパス伝送を可能にする。
• 通信の耐障害性を定式化するための数学的モデルを採用：$\Theta_{\rm DC} = 1 - (1 - \Theta_{\rm MN})(1 - \Theta_{\rm SN})$、ここで$\Theta_{\rm MN}$および$\Theta_{\rm SN}$はそれぞれマクロセルおよび小セルリンクの経路可用性を表す。
• iperf3を用いて飛行中スルーレットを測定し、LTE/Wi-FiおよびWiGig/Wi-Fi環境下でのMPTCPの集約モードおよびフォールバックモードにおける性能を評価する。
• バックアップモードにおけるMPTCPの評価を実施し、主リンク（例：WiGig）の障害発生時に自動的にスタンバイ中の非3GPPリンク（例：Wi-Fi）が活性化され、シームレスなフェイルオーバーと再活性化が実現されることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MPTCPをLTE-NRデュアルコネクティビティと統合することで、5G NR小セル展開におけるリンクの可用性および耐障害性はどのように向上するか？
• RQ2 3GPPおよび非3GPPインターフェースを組み合わせたマルチアクセス環境下でMPTCPを使用した場合、スルーレットおよび信頼性の向上はどの程度見られるか？
• RQ3 異なるネットワーク状態下で、LTE、NR、および非3GPPリンク間での動的経路選択および自動フェイルオーバーにおいて、MPTCPの有効性はいかがなものか？
• RQ4 MPTCPを用いた二重経路DC構成において、経路可用性がエンドツーエンド通信の耐障害性に与える影響は何か？
• RQ5 異種5Gアクセスネットワーク環境下で、MPTCPはベアラ重複とバックアップ経路の活性化を通じて、信頼性の高い通信をどのように実現できるか？

主な発見

• MPTCPをLTE-NRデュアルコネクティビティと統合することで、モデル$\Theta_{\rm DC} = 1 - (1 - \Theta_{\rm MN})(1 - \Theta_{\rm SN})$により示されるように、障害発生確率の低減により通信の耐障害性が顕著に向上する。
• MPTCPがLTEとWi-Fiなどの複数の利用可能な経路を統合することでスルーレットが向上し、iperf3によるリアルタイムの性能追跡により動的ロードバランシングが確認できる。
• フォールバック環境下では、MPTCPが主リンク（例：WiGig）の障害発生時に自動的にバックアップリンク（例：Wi-Fi）に切り替えることで、データ伝送の途切れを防ぐ。
• MPTCPのバックアップモード動作により、主リンクが再び利用可能になると自動的に再活性化されるため、動的環境下でも高い信頼性を示す。
• MPTCPは、3GPPおよび非3GPPアクセス技術を統合した異種5G展開において、信頼性の向上と動的経路マッピングの強化を実現する。
• MPTCPを3GPP DCと統合し、非3GPPアクセスとの相互運用性を確保することで、将来的な5Gおよびそれ以降のネットワークにおける高信頼性と適応的トラフィック制御を実現するスケーラブルなソリューションが得られる。