[논문 리뷰] A Survey on Low Latency Towards 5G: RAN, Core Network and Caching Solutions

Imtiaz Parvez, Ali Rahmati외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 08.

Caching and Content Delivery참고 문헌 160인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 5G 네트워크의 저지연 솔루션에 대한 종합적인 설문 조사로, 무선 접근망(RAN), 코어 네트워크, 캐싱 기술에 중점을 두고 있다. 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN), 가상화 네트워크 기능(VNF), 모바일 에지 컴퓨팅(MEC), 에지 캐싱을 활용한 통합 아키텍처를 제안하여 종단 간 지연을 1ms 이하로 구현한다. 주요 기여는 모든 네트워크 계층에서의 지연 감소 기술과 향후 표준화를 위한 열린 연구 과제이다.

ABSTRACT

The fifth generation (5G) wireless network technology is to be standardized by 2020, where main goals are to improve capacity, reliability, and energy efficiency, while reducing latency and massively increasing connection density. An integral part of 5G is the capability to transmit touch perception type real-time communication empowered by applicable robotics and haptics equipment at the network edge. In this regard, we need drastic changes in network architecture including core and radio access network (RAN) for achieving end-to-end latency on the order of 1 ms. In this paper, we present a detailed survey on the emerging technologies to achieve low latency communications considering three different solution domains: RAN, core network, and caching. We also present a general overview of 5G cellular networks composed of software defined network (SDN), network function virtualization (NFV), caching, and mobile edge computing (MEC) capable of meeting latency and other 5G requirements.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 초고신뢰성·저지연 통신(URLLC)을 가능하게 하는 신규 기술들을 규명하고 분석하는 것.
• 종단 간 지연을 1ms 이하로 줄이기 위해 RAN, 코어 네트워크 및 캐싱 분야의 아키텍처 혁신을 검토하는 것.
• SDN, NFV, MEC 및 네트워크 슬라이싱이 동적이고 소프트웨어 기반의 저지연 네트워크 기능을 어떻게 가능하게 하는지 평가하는 것.
• 지연 민감 응용 프로그램을 위한 캐싱, 이동성 관리 및 프로토콜 설계 분야에서의 열린 연구 과제와 향후 방향성을 부각하는 것.
• 통합된 RAN, 코어 및 캐싱 솔루션이 5G의 엄격한 지연 및 신뢰성 요구 조건을 충족시키는 방식을 통합적으로 개괄하는 것.

제안 방법

• 공기 인터페이스 지연을 줄이기 위해 짧은 프레임/패킷 전송, 새로운 웨이브폼, 고도의 변조 및 코딩, 밀리미터파(mmWave) 대역 간 통합 기술을 포함한 RAN 기술 설문 조사.
• 제어 평면 지연을 최소화하기 위해 동적 가상화 및 분산 네트워크 기능 배포를 위한 SDN 및 NFV를 활용한 코어 네트워크 혁신 분석.
• 콘텐츠 접근성 향상과 백홀드 부하 감소를 위해 중심화 및 분산된 캐싱 전략을 포함한 모바일 에지 컴퓨팅(MEC) 및 캐싱 전략 검토.
• 콘텐츠 전달 지연 향상을 위해 프로토콜 수준 최적화, 예를 들어 GTP 터널링의 한계 및 콘텐츠 인식 캐싱 평가.
• 사용자 이동성 중 지연을 유지하기 위해 이동성 인식 캐싱 및 핸드오버 메커니즘 검토.
• 2018년 평창 패럴림픽 시험에서 1ms 지연을 달성한 5G 프로토타입 구현 사례 및 현장 시험 결과 통합 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 짧은 프레임, 새로운 웨이브폼, 대규모 MIMO와 같은 RAN 수준 기술이 5G의 공기 인터페이스 지연을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 SDN과 NFV는 저지연 코어 네트워크 기능과 동적 자원 할당을 가능하게 하기 위해 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 MEC를 활용한 에지 캐싱은 콘텐츠 전달 지연을 어떻게 향상시키고 백홀드 부하를 줄이는가?
• RQ4 기존 4G 백홀드 및 코어 네트워크 프로토콜(예: GTP)과의 캐싱 통합 시 주요 과제는 무엇인가?
• RQ5 캐싱 기능이 있는 저지연 5G 네트워크에서 이동성과 핸드오버는 어떻게 관리되어야 하며, 사용자 경험을 떨어뜨리지 않도록 할 수 있는가?

주요 결과

• 2018년 평창 5G 시험에서 확인된 바와 같이, RAN, 코어 네트워크 및 캐싱 계층 간의 유기적 최적화를 통해 종단 간 지연 1ms를 달성할 수 있다.
• SDN과 NFV는 네트워크 기능에 대한 탄력적이고 소프트웨어 기반의 제어를 가능하게 하여 제어 평면 지연을 감소시키고, 저지연 서비스를 위한 신속한 재구성도 가능하게 한다.
• 네트워크 엣지에서의 분산 캐싱은 특히 VR/AR 및 원격 수술과 같은 고대역폭 응용 프로그램에서 콘텐츠 전달 지연을 크게 감소시킨다.
• 캐싱 시스템에서의 콘텐츠 배치 및 전달 전략은 캐시 크기, 위치 및 무선 채널 조건을 고려하여 히트 비율과 지연을 최적화해야 한다.
• 이동성 관리는 여전히 과제로 남아 있으며, 빈번한 핸드오버와 사용자 이동은 캐싱 및 네트워크 기능 가상화와 적절히 조율되지 않으면 지연 성능을 떨어뜨릴 수 있다.
• 특히 GTP 터널링 4G 백홀드 환경에서의 콘텐츠 인식 캐싱을 위한 프로토콜 설계 분야에 열린 문제점이 남아 있으며, 원활한 통합을 위한 신규 표준이 필요하다.