[論文レビュー] The Potential of Resource Sharing in 5G Millimeter-Wave Bands

Mattia Rebato, Marco Mezzavilla+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 15被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、5G mmWave帯域におけるスケーリング、インfra構造、アクセス共有が、指向性ビーム、巨大帯域幅、空間多重伝送を活用することで、ネットワーク性能を著しく向上させ、展開コストを削減できることを提案している。シミュレーションにより、協調的でない、目隠しのリソース割り当てが、特に指向性干渉下で最適な協調とほぼ同等の性能を達成することを示しており、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）およびネットワーク機能仮想化（NFV）が、透明な相互運用アクセスを可能にできることも示している。

ABSTRACT

With the severe spectrum shortage in conventional cellular bands, the millimeter (mmWave) frequencies, roughly above 10~GHz, have been attracting growing attention for next-generation micro- and pico- cellular wireless networks. A fundamental and open question is how these bands should be used by cellular operators. Cellular spectrum has been traditionally allocated following an exclusive ownership model. However, in this paper we argue that the distinct nature of mmWave communication -- the massive bandwidth degrees of freedom, directional isolation and high susceptibility to blockage -- suggest that spectrum and infrastructure sharing between multiple operators may be necessary to exploit the full potential of these bands. High-level capacity analyses are presented that reveal significant possible gains under spectrum and infrastructure sharing, even under minimal coordination between operators. Moreover, we discuss how network technologies including software defined networks (SDNs) and network function virtualization (NFV) can easily enable resource sharing by having a programmable core entity provide transparent inter-operator access to the end user.

研究の動機と目的

• 5GネットワークにおけるmmWave帯域の潜在能力を引き出すために、リソース共有（スケーリング、インfra構造、アクセス）が有効であるかを調査すること。
• 遮断や指向性ビームフォーミングを含む現実的な伝搬条件下での共有による性能向上を評価すること。
• 指向性干渉パターンのため、mmWaveシステムにおける非協調（目隠し）リソース割り当ての実現可能性を評価すること。
• SDNおよびNFVが、エンドユーザーに対してプログラマブルで透明な相互運用アクセスを可能にする仕組みを検討すること。
• 異なる共有構成の性能を比較し、費用対効果の高い展開戦略を同定すること。

提案手法

• 視線（LOS）および視線外（NLOS）伝搬を伴う詳細なマルチアンテナmmWaveチャネルモデルを用いた高水準な容量分析を実施する。
• ビームフォーミングを活用して干渉を指向性とし、セル間干渉を低減し、空間再利用を可能にする。
• 4つの共有シナリオ（スケーリングのみ、インfra構造のみ、アクセスのみ、およびスケーリング＋アクセスの併用）を評価する。
• 基地局が協調せずにユーザーをサービスする目隠しリソース割り当て方式を用い、実際の展開制約を模擬する。
• ブルートフォースによるユーザー接続最適化を用いた上界の干渉協調方式と性能を比較する。
• 中央集権的コントローラが共有基地局を管理し、動的かつプログラマブルな相互運用アクセスを可能にするSDN/NFVベースのアーキテクチャを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 排他的割り当てと比較して、mmWave帯域におけるスケーリング共有は、システム容量およびスペクトル効率を著しく向上させることができるか？
• RQ2 インfra構造共有は、ネットワーク性能を維持または向上させつつ、展開コストをどの程度削減できるか？
• RQ3 現実的なmmWave伝搬およびビームフォーミング制約下で、他のオペレータの基地局にユーザーが接続するアクセス共有は、どの程度効果的か？
• RQ4 指向性伝送下では、完全に協調された干渉協調方式と比較して、非協調（目隠し）リソース割り当ての性能はどの程度近いのか？
• RQ5 SDNおよびNFVは、スケーラブルで透明な相互運用アクセスを共有mmWaveリソースに可能にするか？

主な発見

• スケーリング共有により、複数のオペレータ間でバースト性の高い5Gトラフィックの統計的多重が可能となり、容量向上が著しく達成される。
• インfra構造共有は、スケーリング共有とほぼ同等の性能向上を達成するが、大幅に低い展開コストで実現できる。
• ユーザーが他のオペレータの基地局に接続するマクロダイバーシティを介したアクセス共有により、カバレッジおよびデータレートに顕著な改善が見られる。
• 目隠しリソース割り当てと最適な干渉協調の性能差は、特に指向性伝送下では最小限に抑えられ、内在するビームフォーミング利得のおかげである。
• 最悪の同一位置配置基地局シナリオでさえ、非協調方式は上界に対してわずかな差で性能を維持しており、実用性が裏付けられる。
• SDNおよびNFVは、透明で動的かつ効果的な相互運用アクセスを可能にし、アクセス共有を5G mmWaveネットワークにおける実現可能でスケーラブルなソリューションとして実現可能にする。