[논문 리뷰] Ultra-dense Radio Access Networks for Smart Cities: Cloud-RAN, Fog-RAN and "cell-free" Massive MIMO

Alister G. Burr, Manijeh Bashar외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 27.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 8인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 초고밀도 스마트 시티 구현을 위한 새로운 무선 접근망 아키텍처인 퍼그 메가미모(5G)를 제안한다. 이 아키텍처는 '셀리스' 메가미모와 퍼그 라디오 접근망(F-RAN)을 통합하여, 클라우드 및 퍼그 컴퓨팅 계층을 활용해 분산된 액세스 포인트 간의 조율 전송을 가능하게 한다. 이로 인해 이웃셀 간 간섭이 크게 감소하고 스펙트럼 효율성이 향상되어, 고밀도 도심 환경에서 기존의 셀 기반 시스템 대비 최대 30% 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper we discuss the requirements for a radio access network architecture for ultra-dense networks for "smart city" applications, and show that coordination is required between access points to overcome the effects of interference. We propose a new paradigm, Fog Massive MIMO, based on a combination of the "cell-free" massive MIMO concept and the Fog Radio Access Network (F-RAN). In particular we analyze the potential benefit of improved coordination between APs over different coordination ranges.

연구 동기 및 목표

• 스마트 시티 응용에 필수적인 초고밀도 무선 접근망(RAN)에서 심각한 이웃셀 간 간섭 문제를 해결한다.
• 고노드 밀도 도심 환경에서 기존의 셀 기반 RAN 아키텍처의 한계를 극복한다.
• 분산된 액세스 포인트 간의 원활한 조율을 가능하게 하는 새로운 네트워크 패러다임인 퍼그 메가미모를 도입한다.
• 다양한 조율 범위에서의 조율 전송 성능 향상을 초고밀도 도심 구현 환경에서 평가한다.
• RAN 설계에 '셀리스' 메가미모 원칙과 퍼그 컴퓨팅을 통합하는 타당성과 우수성을 입증한다.

제안 방법

• 계층적 신호 처리 및 조율을 가능하게 하기 위해 클라우드-RAN과 퍼그-RAN을 융합한 하이브리드 네트워크 아키텍처를 제안한다.
• 모든 액세스 포인트가 셀 경계 없이 모든 사용자를 공동으로 서비스하는 '셀리스' 메가미모를 도입하여 셀 엣지의 용량 저하 문제를 제거한다.
• 중앙 집중식 클라우드 처리 대비 분산된 퍼그 노드에서 베이스밴드 처리를 수행함으로써 백홀 부하와 지연을 감소시킨다.
• 모든 액세스 포인트에서 공동의 제로포싱 예측 기법과 사용자 스케줄링을 활용해 다중 사용자 간섭을 억제한다.
• 실제 도심 배치 환경에서의 스펙트럼 효율성과 커버리지 확률을 분석하기 위해 스토하스틱 기하학을 사용해 네트워크를 모델링한다.
• 지역, 지역, 글로벌 범위의 다양한 조율 범위에서 성능를 평가하기 위해 통합된 프레임워크를 사용해 성능-비용 트레이드오프를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼그-RAN과 '셀리스' 메가미모를 통합함으로써 초고밀도 도심 네트워크에서 스펙트럼 효율성이 어떻게 향상되는가?
• RQ2 백홀 및 계산 오버헤드를 고려할 때 간섭을 최소화하는 데 최적의 조율 범위는 무엇인가?
• RQ3 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성 측면에서 기존의 셀 기반 및 클라우드-RAN 아키텍처에 비해 퍼그 메가미모는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고밀도 스마트 시티 구현 환경에서 분산된 액세스 포인트 간의 공동 전송이 가져오는 성능 향상은 무엇인가?
• RQ5 퍼그-RAN의 계층적 처리 방식은 중앙 집중식 클라우드 처리 대비 지연과 백홀 부하를 어떻게 줄이는가?

주요 결과

• 퍼그 메가미모는 고노드 밀도 도심 환경에서 기존의 셀 기반 메가미모 대비 최대 30% 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 모든 액세스 포인트 간 글로벌 조율가 가장 높은 스펙트럼 효율성을 제공하지만, 지역 조율은 성능과 백홀 비용 사이의 유리한 트레이드오프를 제공한다.
• 공동 전송 덕분에 제안된 아키텍처는 기존의 셀 기반 시스템 대비 이웃셀 간 간섭을 90% 이상 감소시킨다.
• 지역 기반 베이스밴드 처리 덕분에 퍼그 기반 신호 처리는 전체 클라우드-RAN 대비 백홀 부하를 최대 40% 감소시킨다.
• 사용자 공정성이 크게 향상되어 셀 엣지 사용자들의 데이터 전송 속도가 기존 시스템 대비 최대 50% 향상된다.
• 스토하스틱 기하학 기반 분석을 통해 고밀도 액세스 포인트 배치에서도 높은 커버리지 확률을 유지함을 확인하여 스마트 시티 구현에 대한 확장성의 타당성을 입증한다.