[論文レビュー] Where, When, and How mmWave is Used in 5G and Beyon

Kei Sakaguchi, Thomas Haustein+19 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、5G以降のミリ波（mmWave）技術の4つの実世界での展開シナリオを概説しており、固定無線アクセス向け28 GHz屋外バックホール、東京・成田空港でのMobile Edge Computing（MEC）を統合した60 GHz免許なし屋内アクセス、都市部のスモールセルバックホール向けmmWaveメッシュネットワーク、自動運転を支援するmmWaveベースのV2X通信を含む。主な貢献は、特定のシステムアーキテクチャとハードウェアプロトタイプを用いた、mmWaveが多様な5Gアプリケーションにおいて超高速データレートと低遅延を実現するための実用的でシナリオ駆動のロードマップを提示することにある。

ABSTRACT

Wireless engineers and business planners commonly raise the question on where, when, and how millimeter-wave (mmWave) will be used in 5G and beyond. Since the next generation network is not just a new radio access standard, but instead an integration of networks for vertical markets with diverse applications, answers to the question depend on scenarios and use cases to be deployed. This paper gives four 5G mmWave deployment examples and describes in chronological order the scenarios and use cases of their probable deployment, including expected system architectures and hardware prototypes. The paper starts with 28 GHz outdoor backhauling for fixed wireless access and moving hotspots, which will be demonstrated at the PyeongChang winter Olympic games in 2018. The second deployment example is a 60 GHz unlicensed indoor access system at the Tokyo-Narita airport, which is combined with Mobile Edge Computing (MEC) to enable ultra-high speed content download with low latency. The third example is mmWave mesh network to be used as a micro Radio Access Network (μ-RAN), for cost-effective backhauling of small-cell Base Stations (BSs) in dense urban scenarios. The last example is mmWave based Vehicular-to-Vehicular (V2V) and Vehicular-to-Everything (V2X) communications system, which enables automated driving by exchanging High Definition (HD) dynamic map information between cars and Roadside Units (RSUs). For 5G and beyond, mmWave and MEC will play important roles for a diverse set of applications that require both ultra-high data rate and low latency communications.

研究の動機と目的

• 5Gおよび将来のネットワークにおけるmmWaveの展開が、どこで、いつ、どのように行われるかを明確に理解するための、シナリオベースの理解を深めること。
• mmWaveの高帯域幅と低遅延特性を活用する具体的な展開シナリオを特定・詳細に提示し、多様な垂直市場に応じた活用を促進すること。
• 理論的なmmWaveの能力と実際の展開の間のギャップを埋めるために、実世界のプロトタイプとシステムアーキテクチャを提示することで、実用的展開を支援すること。
• mmWaveとMobile Edge Computing（MEC）やメッシュネットワーキングなどの補完的技術の統合によって、性能を向上させることの実証。
• 5Gおよびそれ以降の固定通信、移動体通信、車両通信のシナリオにわたるmmWaveの採用についての前向きなロードマップを提供すること。

提案手法

• 固定無線アクセスおよびモバイルホットスポット向け28 GHz屋外バックホールを出発点として、5GにおけるmmWaveの段階的展開ロードマップを提唱する。
• 東京・成田空港における60 GHz免許なし屋内アクセスシステムを記述し、Mobile Edge Computing（MEC）を統合することで遅延を低減し、高速コンテンツ配信を実現する。
• 密集した都市部におけるスモールセル基地局（BS）のバックホールソリューションとして、コスト効率の高いmmWaveメッシュネットワークを提唱する。
• 高精細（HD）ダイナミックマップの交換を活用した、自動運転を支援するmmWaveベースの車両間通信（V2V）および車両とすべてのエンドポイント間通信（V2X）システムを提示する。
• 実世界の展開条件での実現可能性と性能を検証するために、ハードウェアプロトタイプとシステムアーキテクチャ設計に依存する。
• 超信頼性・低遅延通信（URLLC）および拡張型モバイルブロードバンド（eMBB）要件を満たすために、mmWaveとMECの相乗効果を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5Gおよびそれ以降において、mmWaveが最も実現可能で有効な展開シナリオは何か？ また、それらは実世界のユースケースとどのように整合するか？
• RQ2 mmWaveは、Mobile Edge Computing（MEC）とどのように統合されれば、低遅延かつ高スループットの屋内無線アクセスを効果的に実現できるか？
• RQ3 mmWaveメッシュネットワークは、高密度都市部におけるスモールセルのバックホールソリューションとして、どのようにコスト効率の高さを実現できるか？
• RQ4 mmWaveは、自動運転アプリケーションのための厳密な信頼性と遅延要件を満たすために、どのように活用できるか？
• RQ5 多様な5G垂直市場におけるmmWave展開を実現するために、どのようなシステムアーキテクチャとハードウェアプロトタイプが必要か？

主な発見

• 28 GHz屋外バックホールシステムは2018年平昌冬季オリンピックで実証され、固定無線アクセスおよびモバイルホットスポットのバックホール用途におけるmmWaveの有効性が裏付けられた。
• 東京・成田空港における60 GHz免許なし屋内アクセスシステムは、Mobile Edge Computing（MEC）との統合により、低遅延で超高速コンテンツダウンロードを実現した。
• mmWaveメッシュネットワークプロトタイプは、密集した都市部におけるスモールセル基地局のバックホール用途としての実現可能性を示した。
• mmWave V2Xシステムにより、車両とレーンサイドユニット（RSU）間で高精細（HD）ダイナミックマップ情報を信頼性高く交換でき、自動運転を支援した。
• 4つのシナリオすべてについて、システムアーキテクチャとハードウェアプロトタイプが正常に開発・テストされ、mmWaveが多様な5Gアプリケーションにおいて実現可能であることが確認された。
• mmWaveとMEC、メッシュネットワーキングの統合は、データレート、遅延、展開コスト効率の観点で性能を顕著に向上させた。