[論文レビュー] Performance Comparison of Dual Connectivity and Hard Handover for LTE-5G Tight Integration in mmWave Cellular Networks

Michele Polese|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 45被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ミリ波ネットワークにおけるLTE-5G統合を実現するため、PDCP層に位置するデュアル接続高速切り替えアーキテクチャを提案する。従来のハードハンドオーバーに比べ、遅延、パケット損失、制御信号の低減を実現し、優れた性能を発揮する。この解決策は、コアネットワークの最小限の関与で実現される協調的RAT切り替えを活用し、高スルーレートのミリ波環境において、エンドツーエンド遅延を低く抑え、信頼性を向上させる。

ABSTRACT

MmWave communications are expected to play a major role in the Fifth generation of mobile networks. They offer a potential multi-gigabit throughput and an ultra-low radio latency, but at the same time suffer from high isotropic pathloss, and a coverage area much smaller than the one of LTE macrocells. In order to address these issues, highly directional beamforming and a very high-density deployment of mmWave base stations were proposed. This Thesis aims to improve the reliability and performance of the 5G network by studying its tight and seamless integration with the current LTE cellular network. In particular, the LTE base stations can provide a coverage layer for 5G mobile terminals, because they operate on microWave frequencies, which are less sensitive to blockage and have a lower pathloss. This document is a copy of the Master's Thesis carried out by Mr. Michele Polese under the supervision of Dr. Marco Mezzavilla and Prof. Michele Zorzi. It will propose an LTE-5G tight integration architecture, based on mobile terminals' dual connectivity to LTE and 5G radio access networks, and will evaluate which are the new network procedures that will be needed to support it. Moreover, this new architecture will be implemented in the ns-3 simulator, and a thorough simulation campaign will be conducted in order to evaluate its performance, with respect to the baseline of handover between LTE and 5G.

研究の動機と目的

• ミリ波リンクの障害発生時における従来のLTE-5Gハンドオーバーの高遅延およびサービス遮断の課題に対処すること。
• ユーザー体験の向上を図るため、LTEとミリ波無線アクセス技術（RAT）間でのシームレスかつ低遅延の切り替えを可能にすること。
• コアネットワークへの最小限の関与で実現可能な高速切り替えを可能にするPDCP層に位置するデュアル接続アーキテクチャの設計および実装。
• 現実的なミリ波チャネルモデルとネットワークシミュレーションを用いて、高速切り替えとハードハンドオーバーの性能を評価すること。
• X2インターフェース負荷、LTE eNBにおける計算オーバーヘッド、制御プレーン信号のトレードオフを含むシステムレベルの妥当性を評価すること。

提案手法

• LTEとミリ波eNBの両方との同時接続を可能にするPDCP層におけるデュアル接続アーキテクチャを提案する。
• コアネットワークの干渉なしに、1つの制御メッセージでRAT間の高速切り替えを実現するための新しいRRCレベル制御手順を設計する。
• ns-3ネットワークシミュレータにNYUミリ波モジュールおよびLTEモジュールを組み込み、デュアル接続およびハードハンドオーバーの実装を実施する。
• UEからのチャネルレポートに基づき、ミリ波セルの関連付け意思決定を管理するコーディネータ機能を導入する。
• パスロス、遮断、シャドウイング効果を考慮したNYUチャネルモデルを用いて、ミリ波伝搬をモデル化する。
• 動的チャネル状態と移動性を再現する都市部の現実的なミリ波シナリオをシミュレートし、性能指標を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RLC PDU送信におけるエンドツーエンド遅延の観点から、デュアル接続高速切り替えは従来のハードハンドオーバーと比べてどのように異なるか？
• RQ2 X2インターフェース帯域幅が、ミリ波ネットワークにおける高速切り替えとハードハンドオーバーの性能に与える影響は何か？
• RQ3 変動するチャネル状態下で、高速切り替えとハードハンドオーバーの間で、パケット損失率とRRC信号のオーバーヘッドはどのように異なるか？
• RQ4 デュアル接続コーディネータ機能をLTE eNBがホスティングする場合、計算および信号の負荷にどのような影響が生じるか？
• RQ5 遮断確率の高いミリ波環境において、高速切り替えはハードハンドオーバーと比較して、より低いサービス遮断時間と高い信頼性を維持できるか？

主な発見

• 高速切り替えは、サービス遮断の最小限化により、ハードハンドオーバーと比較してRLC PDU送信におけるエンドツーエンド遅延を低減する。
• 高速切り替えは、特に高移動度または遮断が生じやすいミリ波環境下で、ハードハンドオーバーと比較して顕著に低いパケット損失率を達成する。
• 高速切り替えソリューションでは、RRC制御信号のオーバーヘッドが著しく低減されており、繰り返し発生するRRC接続再確立手順を回避できるためである。
• X2インターフェースは、高速切り替えにおいて重要なボトルネックとなり、ミリ波eNBに接続されているすべてのUEのデータレートの合計と同等のデータレートを必要とする。
• LTE eNBは、チャネルレポート処理やデュアル接続トラフィックのPDCP暗号化といった協調タスクにより、計算負荷が増加する。
• ハードハンドオーバーは、RRC信号のオーバーヘッドが高く、遮断時間も長くなるため、低遅延・高信頼性を要求するアプリケーションには不適切であるが、統合の複雑さが低いという利点がある。