[논문 리뷰] Ultra-Reliable and Low-Latency Communications Using Proactive Multi-cell Association

Chun‐Hung Liu, Di-Chun Liang외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이질적 네트워크(HetNets)에서 피드백과 재전송 지연을 제거하기 위해 오픈 루프 전송을 통해 초고신뢰성 및 저지연 통신(URLLC)을 가능하게 하는 프로액티브 다셀 연결(PMCA) 기법을 제안한다. 다수의 액세스 포인트(APs)로 가상 셀을 형성하고 AP 및 사용자 밀도를 최적화함으로써 PMCA는 근접 최대 신뢰성과 밀리초 이내의 다운링크 지연을 달성하며, 분석적 경계를 통해 기존 기법 대비 성능 향상을 입증한다.

ABSTRACT

Attaining reliable communications traditionally relies on a closed-loop methodology but inevitably incurs a good amount of networking latency thanks to complicated feedback mechanism and signaling storm. Such a closed-loop methodology thus shackles the current cellular network with a tradeoff between high reliability and low latency. To completely avoid the latency induced by closed-loop communication, this paper aims to study how to jointly employ open-loop communication and multi-cell association in a heterogeneous network (HetNet) so as to achieve ultra-reliable and low-latency communications. We first introduce how mobile users in a HetNet adopt the proposed proactive multi-cell association (PMCA) scheme to form their virtual cell that consists of multiple access points (APs) and then analyze the communication reliability and latency performances. We show that the communication reliability can be significantly improved by the PMCA scheme and maximized by optimizing the densities of the users and the APs. The analyses of the uplink and downlink delays are also accomplished, which show that extremely low latency can be fulfilled in the virtual cell of a single user if the PMCA scheme is adopted and the radio resources of each AP are appropriately allocated.

연구 동기 및 목표

• 폐쇄 루프 피드백 메커니즘이 초래하는 신뢰성-지연 상충 문제를 해결하기 위해.
• 재전송이나 실시간 피드백에 의존하지 않고 이질적 네트워크(HetNets)에서 초고신뢰성 및 저지연 통신(URLLC)을 가능하게 하기 위해.
• 다수의 액세스 포인트(APs)로부터 가상 셀을 형성하여 링크 신뢰성을 향상시키고 지연을 감소시키는 프로액티브 다셀 연결(PMCA) 기법을 개발하기 위해.
• 스토하스틱 기하학과 점 프로세스 이론을 활용해 상行 및 하행 링크에서 PMCA의 신뢰성 및 지연 성능을 분석하기 위해.
• outage 확률과 지연에 대한 분석적 경계를 유도하여, 최적의 사용자 및 AP 밀도가 신뢰성을 극대화하고 지연을 최소화함을 보여주기 위해.

제안 방법

• AP와 사용자를 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링하고, PMCA를 통해 사용자를 다수의 AP에 연결함으로써 가상 셀을 형성한다.
• 간섭을 쇼트 노이즈 과정으로 모델링하여 스토하스틱 기하학을 적용해 하행 링크 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)의 탈락 확률을 유도한다.
• PPP의 확률 생성 기능(PGFL)을 사용해 가상 셀 내에서 다수의 연결된 AP들 간 최대 SINR의 분포를 계산한다.
• 유한 및 무한 개의 연결된 AP에 대해 하행 링크 탈락 확률의 상한선을 유도하여, 더 많은 AP가 연결될수록 신뢰성이 향상됨을 보여준다.
• 사용자 및 AP의 최적 밀도를 유도하여 시스템을 최적화함으로써, 신뢰성을 극대화하고 지연을 최소화한다.
• 제어 신호 전송을 최소화하고 게임 프리 액세스를 가능하게 하기 위해, 전력 제어 및 자원 할당 모델을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로액티브 다셀 연결(PMCA)이 URLLC 시스템에서 피드백 유도 지연을 제거하면서도 높은 신뢰성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 가상 셀 내 연결된 AP의 수가 하행 링크 전송의 탈락 확률과 종단 간 지연에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 PMCA 기법 하에서 신뢰성을 극대화하고 지연을 최소화하기 위한 사용자 및 AP의 최적 밀도는 무엇인가?
• RQ4 PMCA에서 오픈 루프 통신을 사용할 경우 기존 폐쇄 루프 기법 대비 지연과 신뢰성 측면에서 어떤 차이가 있는가?
• RQ5 스토하스틱 기하학을 활용해 이질적 네트워크에서 PMCA 성능을 정확하게 모델링할 수 있는 분석 프레임워크는 무엇인가?

주요 결과

• PMCA 기법은 다수의 AP로 가상 셀을 형성함으로써 근접 최대의 신뢰성을 달성하며, 단일 연결 기법 대비 탈락 확률을 크게 감소시킨다.
• 하행 링크 탈락 확률은 $ 1 - \prod_{k=1}^{K} \left\{ 1 - \left(1 + \delta \ell\left(\theta, \frac{2}{\alpha}\right) \mathbb{E}[O^{2/\alpha}] \right)^{-k} \right\} $ 로 상한선이 제시되며, 연결된 AP 수가 증가할수록 감소한다.
• 무한 개의 연결된 AP에 대해 탈락 확률은 $ 1 - \exp\left[ -\pi \widetilde{\lambda} \int_0^\infty \exp\left( -\frac{\pi \delta \widetilde{\lambda} \theta^{2/\alpha} r}{\text{sinc}(2/\alpha)} \right) dr \right] $ 로 수렴하며, 점차적 신뢰성 향상을 보여준다.
• 가상 셀 내의 모든 K개의 AP가 협업할 경우 탈락 확률은 $ 1 - \left\{ 1 - \left[ 1 + \delta \ell\left( \frac{\theta}{K^{\alpha/2 + 1}}, \frac{2}{\alpha} \right) \sum_{m=1}^2 \vartheta_m (1 - p_{m,0}) \right] \right\}^{-K} $ 로 상한선이 제시되며, 공동 전송이 신뢰성을 향상시킴을 보여준다.
• 분석 결과, 라디오 자원이 적절히 할당되고 PMCA 기법이 적용될 경우, 밀리초 수준의 매우 낮은 지연—약 1 ms—을 달성할 수 있음을 입증한다.
• 최적의 사용자 및 AP 밀도가 존재하며, 최적의 AP 밀도는 사용자 밀도와 경로 손실 지수에 비례한다.