[논문 리뷰] The Potential of Resource Sharing in 5G Millimeter-Wave Bands

Mattia Rebato, Marco Mezzavilla외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 24.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 15인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 5G mmWave 대역에서 스펙트럼, 인프라, 액세스 공유를 통해 방향성 비례 안내, 막대한 대역폭, 공간 다중화 기술을 활용하여 네트워크 성능을 크게 향상시키고 구축 비용을 절감할 수 있음을 제안한다. 시뮬레이션을 통해 비협조적이고 무작위 자원 할당이 방향성 간섭 상황에서 최적의 협조 성능에 근접한 성능을 달성함을 입증하며, 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)과 네트워크 기능 가상화(NFV)가 이종 운영자 간 액세스를 투명하게 가능하게 한다고 보여준다.

ABSTRACT

With the severe spectrum shortage in conventional cellular bands, the millimeter (mmWave) frequencies, roughly above 10~GHz, have been attracting growing attention for next-generation micro- and pico- cellular wireless networks. A fundamental and open question is how these bands should be used by cellular operators. Cellular spectrum has been traditionally allocated following an exclusive ownership model. However, in this paper we argue that the distinct nature of mmWave communication -- the massive bandwidth degrees of freedom, directional isolation and high susceptibility to blockage -- suggest that spectrum and infrastructure sharing between multiple operators may be necessary to exploit the full potential of these bands. High-level capacity analyses are presented that reveal significant possible gains under spectrum and infrastructure sharing, even under minimal coordination between operators. Moreover, we discuss how network technologies including software defined networks (SDNs) and network function virtualization (NFV) can easily enable resource sharing by having a programmable core entity provide transparent inter-operator access to the end user.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 mmWave 대역의 잠재력을 최대로 발휘하기 위해 스펙트럼, 인프라, 액세스 공유가 가능한지 조사하는 것.
• 장애물과 방향성 비례 안내를 포함한 현실적인 전파 조건 하에서 공유로 인한 성능 향상을 평가하는 것.
• 방향성 간섭 패턴으로 인해 비협조적(무작위) 자원 할당이 mmWave 시스템에서 실현 가능할지 평가하는 것.
• SDN와 NFV가 최종 사용자에게 프로그래밍 가능하고 투명한 이종 운영자 간 액세스를 어떻게 가능하게 하는지 탐색하는 것.
• 다양한 공유 구성의 성능를 비교하고 비용 효율적인 구축 전략을 식별하는 것.

제안 방법

• 선로 간섭(LOS) 및 비선로 간섭(NLOS) 전파 조건을 고려한 고도로 세밀한 다중 안테나 mmWave 채널 모델을 사용하여 고수준 용량 분석을 수행한다.
• 빔포밍을 활용하여 간섭을 방향성으로 모델링함으로써 이웃셀 간 간섭을 감소시키고 공간 재사용을 가능하게 한다.
• 스펙트럼 전용, 인프라 전용, 액세스 전용, 스펙트럼 + 액세스 병합 공유의 4가지 공유 시나리오를 평가한다.
• 기지국 간 협조 없이 사용자를 서비스하는 무작위 자원 할당 기법을 사용하여 실제 구축 제약 조건을 시뮬레이션한다.
• 브루트 포스 사용자 연결 최적화를 사용한 상한선 간섭 협조 기법과 성능를 비교한다.
• 중앙 집중식 제어기가 공유 기지국을 관리하고 동적이고 프로그래밍 가능한 이종 운영자 간 액세스를 가능하게 하는 SDN/NFV 기반 아키텍처를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독점적 할당 대비 mmWave 대역에서의 스펙트럼 공유가 시스템 용량과 스펙트럼 효율성에 상당한 향상을 이끌 수 있는가?
• RQ2 인프라 공유가 네트워크 성능을 유지하거나 향상시키면서 구축 비용을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 실제 mmWave 전파 및 비례 안내 제약 조건 하에서 한 운영자 사용자가 다른 운영자의 기지국에 연결되는 액세스 공유는 얼마나 효과적인가?
• RQ4 비협조적(무작위) 자원 할당이 mmWave 네트워크에서 완전한 간섭 협조 기법에 비해 얼마나 높은 성능를 보일 수 있는가?
• RQ5 SDN과 NFV가 확장 가능하고 투명한 이종 운영자 간 공유 자원 액세스를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 스펙트럼 공유를 통해 여러 운영자 간에 번갈아 발생하는 5G 트래픽의 통계적 다중화가 가능해져 용량 향상이 상당히 이루어진다.
• 인프라 공유는 스펙트럼 공유와 거의 동일한 성능 향상을 제공하지만, 구축 비용은 크게 감소시킨다.
• 사용자가 다른 운영자의 기지국에 연결되는 매크로 다이버시티 방식의 액세스 공유로 커버리지와 데이터 전송 속도에 뚜렷한 향상이 이루어진다.
• 무작위 자원 할당과 최적 간섭 협조 간 성능 격차는 방향성 전송 조건에서 빔포밍의 내재된 이점으로 인해 극히 미미하다.
• 가장 악조건의 공재 기지국 상황에서도 비협조적 기법이 상한선에 매우 가까운 성능를 보이며 실용성을 입증한다.
• SDN과 NFV는 투명하고 동적 이종 운영자 간 액세스를 효과적으로 가능하게 하여 액세스 공유를 5G mmWave 네트워크에 실현 가능하고 확장 가능한 솔루션으로 만든다.