[論文レビュー] RAN Functional Splits in NTN: Architectures and Challenges

Riccardo Campana, Carla Amatetti+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Software-Defined Networks and 5GComputer Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、6Gにおける非地上ネットワーク（NTN）向けに、AI駆動の最適化を活用した動的機能分割アーキテクチャを提案する。このアーキテクチャは、遅延、エネルギー効率、リソース利用率のバランスを図る。NTN固有のチャネル劣化要因が8通りのRAN機能分割に与える影響を分析し、F1インターフェース要件における実現可能性制約を同定し、ネットワーク状態とペイロード制約に基づいてCU/DU機能をリアルタイムで再構成可能な中央知能（CI）ユニットを導入する。

ABSTRACT

While 5G networks are already being deployed for commercial applications, Academia and industry are focusing their effort on the development and standardization of the next generations of mobile networks, i.e., 5G-Advance and 6G. Beyond 5G networks will revolutionize communications systems providing seamless connectivity, both in time and in space, to a unique ecosystem consisting of the convergence of the digital, physical, and human domains. In this scenario, NonTerrestrial Networks (NTN) will play a crucial role by providing ubiquitous, secure, and resilient infrastructure fully integrated into the overall system. The additional network complexity introduced by the third dimension of the architecture requires the interoperability of different network elements, enabled by the disaggregation and virtualization of network components, their interconnection by standard interfaces and orchestration by data-driven network artificial intelligence. The disaggregation paradigm foresees the division of the radio access network in different virtualized block of functions, introducing the concept of functional split. Wisely selecting the RAN functional split is possible to better exploit the system resources, obtaining costs saving, and to increase the system performances. In this paper, we firstly provide a discussion of the current 6G NTN development in terms of architectural solutions and then, we thoroughly analyze the impact of the typical NTN channel impairments on the available functional splits. Finally, the benefits of introducing the dynamic optimization of the functional split in NTN are analyzed, together with the foreseen challenges.

研究の動機と目的

• 非地上ネットワーク（NTN）における5G/6Gの機能分割に関する研究の不足に応えること、特にNTN固有のチャネル劣化要因を想定した状況下での分析。
• Ku、Ka、W、Q/VバンドにおけるシミュレートされたSRI（衛星リターンリンク）性能を用いて、データレートおよび往復遅延の両面からF1インターフェース要件を評価すること。
• 低消費電力・高遅延の衛星ペイロードと変動する電力供給を伴う環境下での機能分割実装におけるシステムレベルの課題を特定すること。
• リアルタイムのネットワーク状態に基づき、地上のCUと軌道上でのDUの間でRAN機能を動的に再構成可能な、AIを活用した動的機能分割最適化フレームワークを提案すること。
• ペイロードリソース使用量とフェーダーリンク利用量の最適化を通じて、エネルギー効率的かつQoSを保証する運用を実現すること。

提案手法

• 高パスロス、ドップラー変動、長距離伝搬遅延といったNTN固有の制約を考慮した上で、8通りのRAN機能分割オプション（S1～S7）の相違を包括的に分析する。
• Ku、Ka、W、Q/VバンドにおけるSRI性能をシミュレートし、F1インターフェースのデータレートおよび往復遅延要件を評価する。
• リアルタイムのネットワークKPI（ユーザーのトラフィックタイプ/量、ペイロードの計算能力、利用可能な電力、フェーダーリンクスループット/遅延）を収集する中央知能（CI）ユニットを提案する。
• CIにAIベースの意思決定エンジンを実装し、エネルギー消費とフェーダーリンク利用度を最優先に、最適な機能分割を動的に計算・再デプロイする。
• 2通りのシナリオ（1）厳格な電力制約（軌道上での消費電力最小化）、（2）緩い電力制約（フェーダーリンク使用最大化）の下での動的分割の実現可能性を評価する。
• 一般用途プロセッサ（消費電力過剰）と独立型の専用ハードウェア（複雑で未利用率が高いため）のトレードオフを分析し、低消費電力かつ高性能なプロセッサの発展に伴い将来の実現可能性を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のF1インターフェース要件（データレートおよび往復遅延）を満たす条件下で、8通りのRAN機能分割のうちどのオプションがNTNで実現可能か？
• RQ2 長距離伝搬遅延、ドップラー拡散、遮蔽といったNTN固有のチャネル劣化要因が、異なる機能分割の性能および実現可能性に与える影響はいかほどか？
• RQ3 AI駆動の動的機能分割最適化により、低軌道（LEO）衛星の軌道上ペイロードでの消費電力はどの程度削減可能か？
• RQ4 NTNにおけるリアルタイムでAI駆動の機能分割適応メカニズムを実現するにあたり、必要な主要ネットワークKPIは何か？
• RQ5 衛星ペイロード上での動的機能分割を実現するにあたり、ハードウェア的・アーキテクチャ的課題は何か、そしてそれらをどのように緩和できるか？

主な発見

• 低レベルの機能分割（S1～S4）は、KuおよびKaバンドを用いることで、F1データレート（約1 GHz）を十分に満たし、信頼性のある運用が可能である。
• 高レベルの機能分割（S6およびS7）は、WおよびQ/Vバンドを必要とし、HARQ手順のタイミング制約が緩和された場合にのみ実現可能である。これは3GPPリリース17で導入された機能である。
• F1インターフェースの往復遅延制約が厳しいため、プロトコルの適応なしに実現可能なのは、低レベルの機能分割（S1～S4）に限られる。
• SRIを介したCD-DUインターフェースPDUsの信頼性ある送信は、機能分割の安定性にとって不可欠であり、強固なリンク層メカニズムによって保証される必要がある。
• AI駆動のCIによる動的機能分割最適化により、RAN機能をペイロードから地上に移行させることで、軌道上ペイロードの消費電力を削減可能であるが、これによりフェーダーリンクの遅延と帯域幅要件が増加する。
• 現在の実装では、ハードウェア制約のため、低帯域幅サービスに限定された動的分割にとどまっているが、将来的に低消費電力かつ高性能なプロセッサが登場すれば、すべてのサービスタイプへの適用が可能になる。