[論文レビュー] Ultra-Reliable and Low-Latency Communications Using Proactive Multi-cell Association

Chun‐Hung Liu, Di-Chun Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、フィードバックと再送信の遅延を排除することで、オープンループ伝送を用いて超信頼性・低遅延通信（URLLC）を実現する、異種ネットワーク（HetNets）におけるプロアクティブなマルチセル接続（PMCA）方式を提案する。複数のアクセスポイント（AP）で構成される仮想セルを形成し、APおよびユーザーの密度を最適化することで、PMCAはほぼ最大の信頼性と1ミリ秒未塔のダウンリンク遅延を達成する。解析的境界は、従来の方式に比べて性能向上を示している。

ABSTRACT

Attaining reliable communications traditionally relies on a closed-loop methodology but inevitably incurs a good amount of networking latency thanks to complicated feedback mechanism and signaling storm. Such a closed-loop methodology thus shackles the current cellular network with a tradeoff between high reliability and low latency. To completely avoid the latency induced by closed-loop communication, this paper aims to study how to jointly employ open-loop communication and multi-cell association in a heterogeneous network (HetNet) so as to achieve ultra-reliable and low-latency communications. We first introduce how mobile users in a HetNet adopt the proposed proactive multi-cell association (PMCA) scheme to form their virtual cell that consists of multiple access points (APs) and then analyze the communication reliability and latency performances. We show that the communication reliability can be significantly improved by the PMCA scheme and maximized by optimizing the densities of the users and the APs. The analyses of the uplink and downlink delays are also accomplished, which show that extremely low latency can be fulfilled in the virtual cell of a single user if the PMCA scheme is adopted and the radio resources of each AP are appropriately allocated.

研究の動機と目的

• フィードバックメカニズムに起因する5Gセルラー網における信頼性-遅延トレードオフを克服すること。
• 再送信やリアルタイムフィードバックに依存せずに、異種ネットワーク（HetNets）における超信頼性・低遅延通信（URLLC）を実現すること。
• 複数のアクセスポイント（AP）からなる仮想セルを形成することで、リンクの信頼性を向上させ、遅延を低減するプロアクティブなマルチセル接続（PMCA）方式を開発すること。
• 確率論的幾何学と点過程理論を用いて、上行リンクおよび下行リンクにおけるPMCAの信頼性と遅延性能を分析すること。
• 停電確率および遅延の解析的境界を導出することで、最適なユーザーおよびAP密度が信頼性を最大化し、遅延を最小化することを示すこと。

提案手法

• APとユーザーをポisson点過程（PPP）でモデル化し、PMCAによりユーザーを複数のAPに接続することで仮想セルを形成する。
• 干渉をショットノイズ過程としてモデル化し、確率論的幾何学を用いて、ダウンリンクの信号対干渉加算ノイズ比（SINR）停電確率を導出する。
• PPPの確率生成関数（PGFL）を用いて、仮想セル内の複数の関連APにおける最大SINRの分布を計算する。
• 有限および無限の関連AP数に対するダウンリンク停電確率の上界を導出し、AP数の増加に伴い信頼性が向上することを示す。
• ユーザーおよびAPの最適密度の式を導出し、信頼性を最大化し、遅延を最小化するためのシステム最適化を実施する。
• 制御信号の最小化とゲートフリー アクセスの実現により、低遅延伝送を確保する送信電力制御およびリソース割り当てモデルを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロアクティブなマルチセル接続（PMCA）は、URLLCシステムにおけるフィードバック由来の遅延を排除しつつ、高い信頼性を維持できるか？
• RQ2 仮想セル内の関連AP数が、ダウンリンク伝送における停電確率およびエンドツーエンド遅延に与える影響は何か？
• RQ3 PMCA方式下で、信頼性を最大化し、遅延を最小化するためのユーザーおよびAPの最適密度は何か？
• RQ4 PMCAにおけるオープンループ通信は、従来のクローズドループ方式と比較して、遅延および信頼性の面でどのように異なるか？
• RQ5 確率論的幾何学を用いて、異種ネットワークにおけるPMCA性能を正確にモデル化するための解析的フレームワークは何か？

主な発見

• PMCA方式は複数のAPからなる仮想セルを形成することで、単一接続方式と比較して、停電確率を顕著に低減し、ほぼ最大の信頼性を達成する。
• ダウンリンク停電確率は、$ 1 - \prod_{k=1}^{K} \left\{ 1 - \left(1 + \delta \ell\left(\theta, \frac{2}{\alpha}\right) \mathbb{E}[O^{2/\alpha}] \right)^{-k} \right\} $ で上界が与えられ、関連AP数の増加に伴い減少する。
• 無限大の関連AP数の場合、停電確率は $ 1 - \exp\left[ -\pi \widetilde{\lambda} \int_0^\infty \exp\left( -\frac{\pi \delta \widetilde{\lambda} \theta^{2/\alpha} r}{\text{sinc}(2/\alpha)} \right) dr \right] $ に収束し、漸近的な信頼性向上が示される。
• 仮想セル内のすべてのK台のAPが協調する場合、停電確率は $ 1 - \left\{ 1 - \left[ 1 + \delta \ell\left( \frac{\theta}{K^{\alpha/2 + 1}}, \frac{2}{\alpha} \right) \sum_{m=1}^2 \vartheta_m (1 - p_{m,0}) \right] \right\}^{-K} $ で上界が与えられ、共同送信が信頼性向上に寄与することが示される。
• 解析により、適切な無線リソース割り当てとPMCA方式の適用により、1ミリ秒未塔の極めて低い遅延が仮想セルで達成可能であることが示された。
• 信頼性を最大化する最適なユーザーおよびAP密度が存在し、最適なAP密度はユーザー密度および路損失指数に比例することが分かった。