[論文レビュー] Performance Comparison of Dual Connectivity and Hard Handover for LTE-5G Tight Integration

Michele Polese, Marco Mezzavilla+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、5G mmWaveネットワークとLTEネットワークの密結合統合におけるデュアルコネクティビティ（DC）とハードハンドオーバー（HH）を評価し、5G mmWaveおよびLTEモジュールを備えたカスタムns-3シミュレータを用いて検証している。DCは106.70 Mbit/sの平均PDCPスルーレートと5.1 msの遅延を達成し、ハンドオーバーの切り替え速度が速く、リンク変更時のバッファリングが少ないため、HHの104.98 Mbit/sおよび18.1 msを上回る性能を発揮している。

ABSTRACT

Communications at frequencies above 10 GHz (the mmWave band) are expected to play a major role for the next generation of cellular networks (5G), because of the potential multi-gigabit, ultra-low latency performance of this technology. mmWave frequencies however suffer from very high isotropic pathloss, which may result in cells with a much smaller coverage area than current LTE macrocells. High directionality techniques will be used to improve signal quality and extend coverage area, along with a high density deployment of mmWave base stations (BS). However, when propagation conditions are hard and it is difficult to provide high quality coverage with mmWave BS, it is necessary to rely on previous generation LTE base stations, which make use of lower frequencies (900 MHz - 3.5 GHz), which are less sensitive to blockage and experience lower pathloss. In order to provide ultra-reliable services to mobile users there is a need for network architectures that tightly and seamlessly integrate the LTE and mmWave Radio Access Technologies. In this paper we will present two possible alternatives for this integration and show how simulation tools can be used to assess and compare their performance.

研究の動機と目的

• 密結合されたLTEおよびmmWave 5Gネットワークにおけるデュアルコネクティビティ（DC）とハードハンドオーバー（HH）の性能を評価・比較すること。
• mmWave帯域では高い経路損失と遮断が生じるが、その影響を受けることなく超信頼性・低遅延接続を維持する課題に対処すること。
• 5G mmWaveおよびLTEプロトコルスタックを統合したns-3シミュレータフレームワークを構築し、正確な性能評価を検証すること。
• 移動速度およびX2インターフェースの遅延が、シグナリングオーバーヘッドおよびユーザープランの性能に与える影響を定量すること。

提案手法

• ns-3に統合されたNYU 5G mmWaveプロトコルスタックと標準のLTEモジュールを組み合わせたハイブリッドns-3シミュレータを実装した。
• ユーザー機器（UE）がLTE eNBおよびmmWave eNBの両方に同時に接続できるようにし、1つのRRCメッセージによる高速切り替えを可能にした。
• PDCPレイヤーの統合ポイントを用いて、完全な再確立を伴わずにRAT間のスイッチングに類似したシームレスな切り替えを実現した。
• 遮断が存在する経路に沿って2 m/sで移動するUEを想定した、現実的な都市環境シナリオをシミュレートした。
• 公平な比較のため、DCおよびHHシミュレーション間で同一の乱数シードを設定し、同じチャネル状態を確保した。
• X2遅延およびUE速度の変動に応じた、PDCPスルーレート、遅延、RLCバッファ占有率、RRCシグナリング負荷といった主要指標を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWaveリンク障害発生時、デュアルコネクティビティはハードハンドオーバーと比較して、エンドツーエンドの遅延およびスルーレートでどのように異なるか？
• RQ2 X2インターフェースの遅延が、デュアルコネクティビティおよびハードハンドオーバーの両状況におけるRRCシグナリングオーバーヘッドに与える影響は何か？
• RQ3 UEの移動速度が、mmWaveカバレッジホール発生時のデュアルコネクティビティとハードハンドオーバーの性能にどのように影響するか？
• RQ4 RAT切り替え時、ハードハンドオーバーと比較して、デュアルコネクティビティはパケット損失およびバッファリングをどの程度低減するか？
• RQ5 mmWaveベースの5Gネットワークにおいて、デュアルコネクティビティはハードハンドオーバーに比べてより低い遅延とより高い信頼性を達成できるか？

主な発見

• デュアルコネクティビティは平均PDCPレイヤーのスルーレートが106.70 Mbit/sに達し、ハードハンドオーバーの104.98 Mbit/sを顕著に上回った。
• デュアルコネクティビティは平均遅延を5.1 msに低減したが、ハードハンドオーバーは18.1 msであった。これは、高速な切り替えと最小限のバッファリングによるものである。
• 障害発生時、デュアルコネクティビティは遅延を40 ms未満に維持したが、ハードハンドオーバーでは287 msのピークが観測された。
• デュアルコネクティビティは1ユーザーあたりのRRCシグナリングオーバーヘッドを低減させ、制御プレーン容量が限られる環境下でのスケーラビリティを実現した。
• デュアルコネクティビティの性能向上は、UE速度（2–16 m/s）およびX2遅延（0.1–10 ms）の異なる条件下でも一貫していた。
• シミュレーションフレームワークにより、同一の乱数シードによるチャネル変動の同期が実現され、DCとHHの間で公平で再現可能な比較が可能になった。