[논문 리뷰] Next Generation New Radio Small Cell Enhancement: Architectural Options, Functionality and Performance Aspects

Mirza Golam Kibria, Kien Nguyen외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 28.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 5G 뉴 라디오(NR) 소셀 배포 환경에서 링크의 내구성, 신뢰성 및 동적 경로 선택을 향상시키기 위해 3GPP의 LTE-NR 듀얼 커넥티비티(DC)와 다중접근 집합 기능을 Multi-Path TCP(MPTCP)와 통합하는 것을 제안한다. 동시에 여러 경로를 통해 전송하고 자동 장애 복구 기능을 제공함으로써 MPTCP는 대역폭을 향상시키고 가용성을 높이며, 이중 경로 환경에서 장애 발생 확률을 최대 90%까지 감소시킨다.

ABSTRACT

The 3rd generation partnership project (3GPP) has been engaged in further advancing the evolved universal mobile telecommunications system (UMTS) terrestrial radio access network (E-UTRAN) and UTRAN based radio access network technologies. New radio (NR) is the 3rd generation partnership project (3GPP) endeavor for outlining and standardization of the 5th generation (5G) advanced radio access technology. 3GPP has released the first set of 5G NR standards, i.e., the non-standalone 5G radio specifications. As long-term evolution (LTE) technology is massively deployed and broadly accepted, the transition from LTE to 5G is very critical, and it is of maximal importance that the backward compatibility of 5G with LTE is considered. 3GPP has identified several architecture options for 5G. This article gives an overview of the NR architecture options, their deployment scenarios, and the key migration paths. The LTE-NR dual connectivity (DC) is presented. This DC scenario is unique in the sense that DC is being endowed for two different generations of 3GPP radio access technologies. We, further, present the integration of multipath transmission control protocol (MPTCP) with LTE-NR DC and DC-like aggregation, i.e., 3GPP-non-3GPP interworking to bring in the advantages of MPTCP in terms of link robustness, reliability and dynamic mapping between the traffic flows and the available paths. Finally, we discuss the future research and standardization directions of the next-generation networks.

연구 동기 및 목표

• 5G 뉴 라디오(NR) 배포의 아키텍처 옵션을 분석하고, LTE에서 독립형 5G로의 이행 경로를 포함한다.
• 임무 핵심 응용 프로그램을 위한 신뢰성 있고 내구성 있는 통신을 지원하는 데에 한계가 있는 기존 3GPP 듀얼 커넥티비티(DC)의 문제점을 해결한다.
• Multi-Path TCP(MPTCP)를 3GPP DC 및 다중접근 커넥티비티와 통합하여 링크의 내구성과 동적 트래픽 안내 능력을 향상시키는 것을 조사한다.
• LTE, NR 및 비-3GPP(예: Wi-Fi, WiGig) 인터페이스를 조합한 이중 경로 및 백업 모드 환경에서 MPTCP의 성능 이점을 평가한다.
• 자율적이고 지능적이며 에너지 효율적인 5G 및 그 이상의 네트워크를 위한 향후 표준화 방향을 규명한다.

제안 방법

• 12개의 3GPP에서 규정한 5G 아키텍처 옵션을 분석하며, NR 배포 및 이행을 위한 옵션 2, 3/3A, 4/4A, 5 및 7/7A에 집중한다.
• LTE-NR 듀얼 커넥티비티(DC) 모델을 도입하여 사용자 단말기(UE)가 동시에 LTE 및 NR 기지국(마크로 및 소셀)에 연결할 수 있도록 한다.
• 3GPP DC 및 DC 유사 집합 기능과 MPTCP 통합을 제안하여 이종 접근 기술(3GPP 및 비-3GPP)을 통해 다중 경로 전송을 가능하게 한다.
• 통신 내구성에 대한 수학적 모델을 사용: $\Theta_{\rm DC} = 1 - (1 - \Theta_{\rm MN})(1 - \Theta_{\rm SN})$, 여기서 $\Theta_{\rm MN}$ 및 $\Theta_{\rm SN}$은 마크로 및 소셀 링크의 경로 가용성을 나타낸다.
• iperf3를 사용하여 비행 중 대역폭을 측정하고, LTE/Wi-Fi 및 WiGig/Wi-Fi 환경에서 MPTCP의 집합 모드 및 백업 모드 성능을 평가한다.
• 백업 모드에서 MPTCP를 평가하여, 주 경로(예: WiGig) 장애 발생 시 예비 비-3GPP 링크(예: Wi-Fi)가 자동으로 활성화되어 원활한 장애 복구 및 재활성화가 이루어지는지 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MPTCP가 LTE-NR 듀얼 커넥티비티와 통합될 경우 5G NR 소셀 배포 환경에서 링크의 가용성과 내구성은 어떻게 향상되는가?
• RQ2 3GPP 및 비-3GPP 인터페이스를 조합한 다중접근 환경에서 MPTCP를 사용할 경우 대역폭 및 신뢰성 향상의 성능 이득은 어떠한가?
• RQ3 다양한 네트워크 조건 하에서 LTE, NR 및 비-3GPP 링크 간의 동적 경로 선택 및 자동 장애 복구 기능에서 MPTCP의 효과는 어떠한가?
• RQ4 MPTCP를 사용하는 이중 경로 DC 구성에서 경로 가용성이 종단 간 통신 내구성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 이종 5G 접근 네트워크에서 MPTCP는 비어링 중복 및 예비 경로 활성화를 통해 어떻게 신뢰성 있는 통신을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• MPTCP가 LTE-NR 듀얼 커넥티비티와 통합될 경우, 모델 $\Theta_{\rm DC} = 1 - (1 - \Theta_{\rm MN})(1 - \Theta_{\rm SN})$을 통해 장애 발생 확률 감소로 인해 통신 내구성이 크게 향상됨을 입증하였다.
• MPTCP가 LTE 및 Wi-Fi와 같은 여러 가용 경로를 통해 데이터를 집합할 경우 대역폭이 증가하며, iperf3를 통한 실시간 성능 추적을 통해 동적 로드 밸런싱이 이루어짐을 확인하였다.
• 백업 시나리오에서 MPTCP는 주 경로(예: WiGig) 장애 발생 시 자동으로 예비 경로(예: Wi-Fi)로 전환하여 데이터 전송이 중단되지 않도록 한다.
• MPTCP의 백업 모드 기능은 주 경로가 再가용해지면 자동으로 재활성화되며, 이는 변화가 빠른 환경에서 높은 신뢰성을 보여준다.
• MPTCP는 특히 3GPP 및 비-3GPP 접근 기술을 조합한 이종 5G 배포 환경에서 신뢰성과 동적 경로 매핑 능력을 향상시킨다.
• MPTCP를 3GPP DC와 통합하고 비-3GPP 접근과의 상호 운용성을 확보함으로써, 향후 고신뢰성 및 적응형 트래픽 안내가 요구되는 5G 및 그 이상의 네트워크를 위한 확장 가능한 솔루션을 제공한다.