[논문 리뷰] Design Considerations for a 5G Network Architecture

Steven Bergren|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 19.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고속 데이터 전송(최대 10 Gbps), 7조 대의 기기 연결 지원, 지연 시간 단축, 에너지 및 비용 절감, 사용자 경험 향상 등의 목표를 달성하기 위해 5G 네트워크의 핵심 설계 과제와 아키텍처적 고려사항을 서술한다. 향후 요구사항을 충족하기 위해 새로운 무선 접근 기술, 네트워크 슬라이싱, 엣지 컴퓨팅을 통합한 재구상된 네트워크 아키텍처를 제안하며, 중국에서 완료된 5G Phase-1 테스트 결과를 통해 검증된다.

ABSTRACT

The data rates of up to 10 GB/s will characterize 5G networks telecommunications standards that are envisioned to replace the current 4G/IMT standards. The number of network-connected devices is expected to be 7 trillion by the end of this year and the traffic is expected to rise by an order of magnitude in the next 8 years. It is expected that elements of 5G will be rolled out by early 2020s to meet business and consumer demands as well as requirements of the Internet of Things. China's Ministry of Industry and Information Technology announced in September 2016 that the government-led 5G Phase-1 tests of key wireless technologies for future 5G networks were completed with satisfactory results. This paper presents an overview of the challenges facing 5G before it can be implemented to meet expected requirements of capacity, data rates, reduced latency, connectivity to massive number of devices, reduced cost and energy, and appropriate quality of experience.

연구 동기 및 목표

• 미래의 요구사항을 충족하는 5G 네트워크 아키텍처 설계를 위한 핵심 기술 과제를 특정하고 해결하는 것.
• 향상된 용량, 초고속 데이터 전송(최대 10 Gbps), 지연 시간 단축 요구사항을 분석하는 것.
• 2025년까지 최대 7조 대의 기기를 지원하기 위한 확장성 요구사항을 검토하는 것.
• 5G 구축을 위한 에너지 효율성 향상 및 비용 절감 목표를 평가하는 것.
• 네트워크 슬라이싱, 엣지 컴퓨팅, 새로운 무선 접근 기술이 5G 기능을 어떻게 가능하게 하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN) 및 네트워크 기능 가상화(NFV) 원리를 기반으로 재설계된 5G 네트워크 아키텍처를 제안한다.
• 다양한 서비스 유형을 위한 맞춤형 QoS 보장을 지원하기 위해 네트워크 슬라이싱을 도입한다.
• 엔드 투 엔드 지연 시간을 줄이고 실시간 성능을 향상시키기 위해 엣지 컴퓨팅의 통합을 강조한다.
• 스펙트럼 효율성과 데이터 전송 속도 향상을 위해 밀리미터 웨이브 및 매크로 MIMO 기술의 사용을 분석한다.
• 동적 자원 할당과 확장성 구현을 위한 중심집중형 및 분산형 제어 평면의 역할을 검토한다.
• 중국의 5G Phase-1 시험 결과를 바탕으로 핵심 무선 기술 구성 요소의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G 네트워크는 어떻게 최대 10 Gbps의 데이터 전송 속도를 확보하면서도 낮은 지연 시간을 유지할 수 있는가?
• RQ2 7조 대의 기기를 지원하기 위해 어떤 아키텍처 혁신이 필요한가?
• RQ3 네트워크 슬라이싱과 가상화는 5G에서 다양한 서비스 요구사항을 어떻게 실현하는가?
• RQ4 밀리미터 웨이브와 매크로 MIMO는 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 완료된 5G Phase-1 테스트는 핵심 5G 설계 원칙의 타당성을 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 5G 네트워크는 최대 10 Gbps의 데이터 전송 속도를 지원하여 고대역폭 응용을 가능하게 할 것으로 기대된다.
• 기기 연결 수는 연말 기준 7조 대에 이를 것으로 예측되며, 이는 확장성 있고 효율적인 네트워크 설계가 필수적임을 시사한다.
• 중국의 5G Phase-1 시험은 핵심 무선 기술을 성공적으로 검증하여 기술적 타당성을 확인했다.
• 네트워크 슬라이싱은 공유 인프라 위에서 특정 QoS 요구사항을 가진 다양한 서비스가 공존할 수 있도록 한다.
• 엣지 컴퓨팅과 분산 제어 평면은 지연 시간을 줄이고 실시간 성능을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 에너지 효율성 향상과 비용 절감은 핵심 설계 목표이며, 전통적인 모바일 네트워크를 초월한 아키텍처 혁신이 필요하다.