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

Michele Polese|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 13.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 45인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 네트워크에서 LTE-5G 통합을 위한 무결성 있는 LTE-5G 통합을 가능하게 하는 PDCP 계층에서의 이중 연결 빠른 전환 아키텍처를 제안한다. 기존의 하드 핸드오버에 비해 지연, 패킷 손실, 제어 신호 전송을 줄여 성능을 뛰어나게 한다. 이 솔루션은 핵심 네트워크의 최소한의 관여로도 협동된 RAT 전환을 활용하여 고속도의 mmWave 환경에서 더 낮은 종단 간 지연과 향상된 신뢰성을 달성한다.

ABSTRACT

MmWave communications are expected to play a major role in the Fifth generation of mobile networks. They offer a potential multi-gigabit throughput and an ultra-low radio latency, but at the same time suffer from high isotropic pathloss, and a coverage area much smaller than the one of LTE macrocells. In order to address these issues, highly directional beamforming and a very high-density deployment of mmWave base stations were proposed. This Thesis aims to improve the reliability and performance of the 5G network by studying its tight and seamless integration with the current LTE cellular network. In particular, the LTE base stations can provide a coverage layer for 5G mobile terminals, because they operate on microWave frequencies, which are less sensitive to blockage and have a lower pathloss. This document is a copy of the Master's Thesis carried out by Mr. Michele Polese under the supervision of Dr. Marco Mezzavilla and Prof. Michele Zorzi. It will propose an LTE-5G tight integration architecture, based on mobile terminals' dual connectivity to LTE and 5G radio access networks, and will evaluate which are the new network procedures that will be needed to support it. Moreover, this new architecture will be implemented in the ns-3 simulator, and a thorough simulation campaign will be conducted in order to evaluate its performance, with respect to the baseline of handover between LTE and 5G.

연구 동기 및 목표

• mmWave 링크 장애 발생 시 기존의 LTE-5G 핸드오버에서 발생하는 높은 지연과 서비스 단절 문제를 해결한다.
• 사용자 경험 향상을 위해 LTE와 mmWave 무선접근기술(RAT) 간 무결성이고 낮은 지연의 전환을 가능하게 한다.
• 핵심 네트워크의 최소한의 관여로도 빠른 전환을 지원하는 PDCP 계층에서의 이중 연결 아키텍처를 설계하고 구현한다.
• 실제 mmWave 채널 모델과 네트워크 시뮬레이션을 사용하여 빠른 전환과 하드 핸드오버의 성능을 평가한다.
• X2 인터페이스 부하, LTE eNB의 계산 부담, 제어 평면 신호 전송 등의 시스템 수준의 트레이드오프를 평가한다.

제안 방법

• LTE와 mmWave eNB에 동시에 연결할 수 있는 PDCP 계층의 이중 연결 아키텍처를 제안한다.
• 핵심 네트워드 개입 없이 단일 제어 메시지를 사용해 RAT 간 빠른 전환을 위한 새로운 RRC 수준 제어 절차를 설계한다.
• ns-3 네트워크 시뮬레이터에 NYU mmWave 모듈과 LTE 모듈을 활용해 이중 연결 및 하드 핸드오버 솔루션을 구현한다.
• UE에서 보고한 채널 정보를 기반으로 mmWave 셀 연결 결정을 관리하는 코ordinating 기능을 도입한다.
• 경로 손실, 차단, 샤프닝 효과를 고려한 NYU 채널 모델을 사용해 mmWave 전파를 모델링한다.
• 동적 채널 조건과 이동성을 반영한 실제 도시형 mmWave 시나리오를 시뮬레이션하여 성능 지표를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RLC PDU 전송에 있어 이중 연결 빠른 전환과 기존 하드 핸드오버 간 종단 간 지연은 어떻게 비교되는가?
• RQ2 X2 인터페이스 대역폭은 mmWave 네트워크에서 빠른 전환과 하드 핸드오버의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 채널 조건 하에서 빠른 전환과 하드 핸드오버 간 패킷 손실 비율과 RRC 신호 전송 오버헤드는 어떻게 다를까?
• RQ4 이중 연결 코ordinating 기능을 호스팅할 때 LTE eNB의 계산 및 신호 전송 부담은 어떻게 되는가?
• RQ5 고차단 확률이 높은 mmWave 환경에서 빠른 전환은 하드 핸드오버에 비해 더 낮은 서비스 단절과 더 높은 신뢰성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 빠른 전환은 서비스 단절 최소화로 인해 하드 핸드오버 대비 RLC PDU 전송에 있어 종단 간 지연을 줄인다.
• 특히 고속 이동성 또는 차단이 빈번한 mmWave 환경에서 빠른 전환은 하드 핸드오버에 비해 상당히 낮은 패킷 손실 비율을 달성한다.
• 빠른 전환 솔루션은 반복적인 RRC 연결 재설립 절차를 피함으로써 RRC 제어 신호 전송 오버헤드가 상당히 낮다.
• X2 인터페이스는 빠른 전환에서 중요한 병목 현상이 되며, mmWave eNB의 모든 활성 UE 데이터 전송률의 합과 유사한 데이터 전송률이 필요하다.
• 코ordinating 기능을 수행함에 따라 LTE eNB는 채널 보고서 처리 및 이중 연결 트래픽의 PDCP 암호화 작업으로 인해 계산 부담이 증가한다.
• 하드 핸드오버는 더 높은 RRC 신호 전송과 더 긴 단절 시간을 유발하므로, 낮은 지연과 고신뢰성 요구 응용 분야에는 적합하지 않다. 비록 통합 복잡도가 낮기는 하지만 말이다.