[논문 리뷰] Performance Comparison of Dual Connectivity and Hard Handover for LTE-5G Tight Integration

Michele Polese, Marco Mezzavilla외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 19.

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 LTE 및 mmWave 5G 네트워크 간의 밀접한 통합을 위해 이중 연결(DC)과 하드 핸드오버(HH)를 평가한다. 5G mmWave 및 LTE 모듈을 탑재한 고유의 ns-3 시뮬레이터를 사용하여, DC는 평균 PDCP Throughput 106.70 Mbit/s와 5.1 ms의 지연을 기록하며, HH의 104.98 Mbit/s 및 18.1 ms보다 성능이 뛰어나며, 링크 전환 중 더 빠른 스위칭과 감소된 버퍼링으로 인해 성능 향상이 이루어진다.

ABSTRACT

Communications at frequencies above 10 GHz (the mmWave band) are expected to play a major role for the next generation of cellular networks (5G), because of the potential multi-gigabit, ultra-low latency performance of this technology. mmWave frequencies however suffer from very high isotropic pathloss, which may result in cells with a much smaller coverage area than current LTE macrocells. High directionality techniques will be used to improve signal quality and extend coverage area, along with a high density deployment of mmWave base stations (BS). However, when propagation conditions are hard and it is difficult to provide high quality coverage with mmWave BS, it is necessary to rely on previous generation LTE base stations, which make use of lower frequencies (900 MHz - 3.5 GHz), which are less sensitive to blockage and experience lower pathloss. In order to provide ultra-reliable services to mobile users there is a need for network architectures that tightly and seamlessly integrate the LTE and mmWave Radio Access Technologies. In this paper we will present two possible alternatives for this integration and show how simulation tools can be used to assess and compare their performance.

연구 동기 및 목표

• 밀접하게 통합된 LTE 및 mmWave 5G 네트워크에서 이중 연결(DC)과 하드 핸드오버(HH)의 성능을 평가하고 비교하는 것.
• mmWave 대역에서 고경로 손실 및 차단으로 인해 발생하는 초고신뢰성·저지연 연결 유지 문제를 해결하는 것.
• 정확한 성능 평가를 위한 5G mmWave 및 LTE 프로토콜 스택을 통합한 ns-3 시뮬레이션 프레임워크를 개발하고 검증하는 것.
• 이동 속도와 X2 인터페이스 지연이 신호 처리 오버헤드 및 유저 평면 성능에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• ns-3에 통합된 뉴욕대학교(NYU) 5G mmWave 프로토콜 스택과 표준 LTE 모듈을 결합한 하이브리드 ns-3 시뮬레이터를 구현하였다.
• 사용자 단말(UE)이 동시에 LTE eNB와 mmWave eNB에 연결할 수 있도록 이중 연결을 구현하였으며, 단일 RRC 메시지를 통한 빠른 스위칭을 지원하였다.
• PDCP 계층 통합 포인트를 사용하여 프로토콜 스택 간 전환을 원활하게 하였으며, 완전한 재설립 없이도 핸드오버 유사 전환을 가능케 하였다.
• 차단물이 존재하는 경로를 따라 2 m/s 속도로 이동하는 UE를 포함한 현실적인 도시 환경을 시뮬레이션하였다. mmWave eNB는 28 GHz, LTE eNB는 2.1 GHz로 설정하였다.
• 공정한 비교를 위해 DC 및 HH 시뮬레이션 간 동일한 난수 시드를 설정하여 동일한 채널 조건을 확보하였다.
• X2 지연 및 UE 이동 속도 변화 조건 하에서 PDCP Throughput, 지연, RLC 버퍼 점유율, RRC 신호 처리 부하와 같은 주요 지표를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave 링크 장애 발생 시 이중 연결은 하드 핸드오버 대비 종단 간 지연과 Throughput 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ2 X2 인터페이스 지연은 이중 연결 및 하드 핸드오버 환경에서 RRC 신호 처리 오버헤드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 UE 이동 속도는 mmWave 커버리지 홀에서 이중 연결과 하드 핸드오버의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 RAT 전환 중 이중 연결은 하드 핸드오버 대비 패킷 손실과 버퍼링을 얼마나 줄이는가?
• RQ5 이중 연결은 mmWave 기반 5G 네트워크에서 하드 핸드오버보다 낮은 지연과 더 높은 신뢰성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 이중 연결은 평균 PDCP 계층 Throughput 106.70 Mbit/s를 기록하였으며, 하드 핸드오버의 104.98 Mbit/s보다 유의미하게 높았다.
• 이중 연결은 평균 지연을 5.1 ms로 감소시켰으며, 하드 핸드오버의 18.1 ms보다 빠르게 스위칭하고 최소한의 버퍼링을 유도함으로써 성능 향상을 이룩하였다.
• 장애 발생 시 이중 연결은 지연을 40 ms 이하로 유지하였고, 하드 핸드오버는 287 ms의 급격한 증가를 보였다.
• 이중 연결은 사용자당 RRC 신호 처리 오버헤드를 감소시켜 제한된 제어 평면 용량 조건에서도 확장성을 확보하였다.
• 이중 연결의 성능 향상은 다양한 UE 이동 속도(2–16 m/s) 및 X2 지연(0.1–10 ms) 조건에서 일관되게 유지되었다.
• 동일한 난수 시드를 통한 채널 변동 동기화 덕분에 시뮬레이션 프레임워크는 DC와 HH 간 공정하고 반복 가능한 비교를 가능케 하였다.