[論文レビュー] NR-U and WiGig Coexistence in 60 GHz Bands

Natale Patriciello, Sanjay Goyal+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 10被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、60 GHzの免許なしバンドにおける3GPP NR-UとIEEE 802.11ad（WiGig）の共存に関する研究を可能にする、オープンソースのns-3シミュレータ拡張を提示する。Listen-Before-Talk（LBT）およびデューティーサイクルベースのチャネルアクセス方式を評価し、NR-UがLBTまたはデューティーサイクル方式を採用した場合、WiGigのスループットや遅延に悪影響を及げず、ミリ波の免許なしスペクトルにおける公平な共存が可能であることを示している。

ABSTRACT

In December 2019, the 3GPP defined the road-map for Release-17, which includes new features on the operation of New Radio (NR) in millimeter-wave bands with highly directional communications systems, i.e., up to 52.6 GHz. In this paper, a system-level simulation based study on the coexistence of NR-based access to unlicensed spectrum (NR-U) and an IEEE technology, i.e., 802.11ad Wireless Gigabit (WiGig), at 60 GHz bands is conducted. For NR-U, an extension of NR Release-15 based model is used such that the 60 GHz regulatory requirements are satisfied. First, the design and capabilities of the developed open source ns-3 based simulator are presented and then end-to-end performance results of coexistence with different channel access mechanisms for NR-U in a 3GPP indoor scenario are discussed. It is shown that NR-U with Listen-Before-Talk channel access mechanism does not have any adverse impact on WiGig performance in terms of throughput and latency, which demonstrates that NR-U design fulfills the fairness coexistence objective, i.e., NR-U and WiGig coexistence is proven to be feasible.

研究の動機と目的

• 60 GHz帯におけるNR-UとWiGigの共存を、再現可能で高精度なシステムレベルのシミュレーションを可能にする。
• LBT、デューティーサイクル、常時オンの3つの異なるNR-Uチャネルアクセス方式が、スループット、遅延、チャネル占有率といったWiGigの性能指標に与える影響を評価する。
• 特に方向性ビームフォーミングを伴う屋内環境におけるミリ波の免許なしスペクトルにおいて、NR-Uの設計が公平な共存を達成していることを検証する。
• 60 GHz帯の規制要件を含めた、NR-UおよびWiGigのフルスタックでエンドツーエンドのモデルを備えたオープンソースのns-3シミュレータを拡張する。
• 将来的な複数RATの共存に関する研究のための、公開可能なシミュレーションフレームワークを提供する。

提案手法

• NR Release-15に基づく既存のns-3モデルを拡張し、NR-Uの60 GHz帯における規制要件を統合した。
• 3GPP NR-UおよびIEEE 802.11ad（WiGig）の高精度でフルスタックのモデルを統合し、方向性ビームフォーミングおよびミリ波伝搬モデルを含めた。
• 3つのNR-Uチャネルアクセス方式を実装した：Listen-Before-Talk（LBT）、デューティーサイクルベースのアクセス（LTE-Uを参考に）、常時オン（途切れのない）のベンチマーク。
• 複数のユーザー、複数のフロー、NR-UおよびWiGigノードが混在する3GPP屋内シナリオを想定したエンドツーエンドのシステムレベルシミュレーションを実施した。
• ミリ波伝搬特性を反映するため、方向性送信およびビームフォーミングを備えた現実的な3次元チャネルモデルを使用した。
• NR-UおよびWiGigデバイスの両方について、チャネル占有率、エンドツーエンド遅延、スループットといった主要な性能指標を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NR-UがLBTチャネルアクセス方式を採用した場合、60 GHz帯においてWiGigのスループットおよび遅延に悪影響を及えるか？
• RQ2 デューティーサイクルベースのNR-Uアクセス方式は、LBTと比較してWiGigとの共存性能および公平性においてどのように異なるか？
• RQ3 常時オンで途切れのないNR-U送信が、同じ60 GHzスペクトル内に存在するWiGigノードに与える性能への影響は何か？
• RQ4 方向性ビームフォーミングおよびミリ波伝搬特性は、NR-UとWiGigの間の共存の公平性をどの程度向上させるか？
• RQ5 オープンソースのシミュレーションツールは、免許なしミリ波帯における複数RATの共存に関する再現可能で協働的な研究を可能にするか？

主な発見

• NR-UがLBTチャネルアクセス方式を採用した場合、WiGigのスループットや遅延に悪影響を及げず、60 GHz帯におけるNR-UとWiGigの共存が公平であることが示された。
• WiGigデバイスの中央値スループットは、すべてのNR-U設定において最大達成可能レートに近い水準を維持したが、常時オンNR-U設定ではチャネル競合のため性能が低下した。
• NR-Uと共存する際のWiGigデバイスのバックオフ時間は、他のWiGigデバイスと共存する場合よりも短くなったため、NR-Uは共存の観点からより好ましい隣接デバイスであることが示された。
• LBTまたはデューティーサイクルアクセスを採用したNR-Uデバイスでは、方向性受信およびHARQコンビネーションのおかげでエンドツーエンド遅延の標準偏差が顕著に低く抑えられたが、WiGigは非方向性受信およびACKの漏れのため、ばらつきが大きかった。
• 常時オンNR-U設定は、WiGigの性能を著しく悪化させ、一部のSTAが継続的なチャネル競合のため接続不能となった。これは、途切れのない送信がWiGigに対して不公平であることを確認した。
• 具体的なLBTカテゴリ（例：gNBでのLBTのみ vs. gNBおよびUEでのLBT）の違いは、公平性にほとんど影響を及ぼさず、方向性およびミリ波伝搬特性が共存行動を支配することがわかった。