[論文レビュー] Design Considerations for a 5G Network Architecture

Steven Bergren|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、10 Gbpsに達する高いデータレート、7兆台の接続デバイスのサポート、遅延の低減、エネルギー消費とコストの削減、およびエクスペリエンス品質の向上を実現するための5Gネットワークにおける重要な設計課題とアーキテクチャ的配慮を概説している。将来のニーズに対応するため、新規無線アクセス技術、ネットワークスライシング、エッジコンピューティングを統合した再考されたネットワークアーキテクチャを提唱しており、中国で完了した5Gフェーズ1のテスト結果によって検証されている。

ABSTRACT

The data rates of up to 10 GB/s will characterize 5G networks telecommunications standards that are envisioned to replace the current 4G/IMT standards. The number of network-connected devices is expected to be 7 trillion by the end of this year and the traffic is expected to rise by an order of magnitude in the next 8 years. It is expected that elements of 5G will be rolled out by early 2020s to meet business and consumer demands as well as requirements of the Internet of Things. China's Ministry of Industry and Information Technology announced in September 2016 that the government-led 5G Phase-1 tests of key wireless technologies for future 5G networks were completed with satisfactory results. This paper presents an overview of the challenges facing 5G before it can be implemented to meet expected requirements of capacity, data rates, reduced latency, connectivity to massive number of devices, reduced cost and energy, and appropriate quality of experience.

研究の動機と目的

• 将来のニーズを満たす5Gネットワークアーキテクチャを設計する上で、核心的な技術的課題を特定し、それらに対処すること。
• 拡張性の向上、超高速データレート（最大10 Gbps）、および遅延の低減を実現するための要件を分析すること。
• 2025年までに最大7兆台の接続デバイスをサポートするためのスケーラビリティ要件を検討すること。
• 5G展開におけるエネルギー効率化とコスト削減の目標を評価すること。
• ネットワークスライシング、エッジコンピューティング、新規無線アクセス技術が5G機能を実現する上で果たす役割を評価すること。

提案手法

• ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）およびネットワーク機能仮想化（NFV）の原則に基づいた再設計された5Gネットワークを提唱する。
• 多様なサービスタイプを、個別に最適化されたQoS保証でサポートできるネットワークスライシングを導入する。
• エンドツーエンドの遅延低減とリアルタイム性能の向上を実現するため、エッジコンピューティングの統合を強調する。
• スペクトル効率とデータレートの向上のため、ミリ波およびメガマトリクスMIMO（massive MIMO）技術の活用を分析する。
• 動的リソース割り当てとスケーラビリティを実現するための集中型および分散型コントロールプレーンの役割を検討する。
• 中国の5Gフェーズ1試験の結果を基に、主要な無線技術コンponentsの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5Gネットワークは、低遅延を維持しつつ、最大10 Gbpsのデータレートをどのように達成できるか？
• RQ2 7兆台の接続デバイスをサポートするには、どのようなアーキテクチャ的イノベーションが必要か？
• RQ3 ネットワークスライシングと仮想化は、5Gにおいて多様なサービス要件をどのように実現できるか？
• RQ4 ミリ波およびメガマトリクスMIMOは、スペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ5 完了した5Gフェーズ1の試験結果は、コア5G設計原則の実現可能性をどのように示しているか？

主な発見

• 5Gネットワークは、最大10 Gbpsのデータレートをサポートすることが期待されており、高帯域幅アプリケーションの実現を可能にする。
• 接続デバイスの数は、年末までに7兆台に達すると予測されており、これにはスケーラブルで効率的なネットワーク設計が不可欠である。
• 中国の5Gフェーズ1試験は、主要な無線技術の妥当性を成功裏に検証しており、技術的実現可能性を確認した。
• ネットワークスライシングにより、共通インfraストラクチャ上に、特定のQoS要件を満たす多様なサービスが共存可能である。
• エッジコンピューティングと分散型コントロールプレーンは、遅延の低減とリアルタイム性能の向上に不可欠である。
• エネルギー効率化とコスト削減は、従来のモバイルネットワークをはるかに超えるアーキテクチャ的イノベーションを必要とする中心的な設計目標である。