[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种在PDCP层的双连接快速切换架构，以实现在毫米波网络中无缝的LTE-5G集成，相比传统硬切换，该方案可降低延迟、减少分组丢失并减少控制信令。该解决方案通过最小化核心网络参与的协调式无线接入技术（RAT）切换，实现了更低的端到端延迟和在高吞吐量毫米波场景下的更高可靠性。

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.

研究动机与目标

• 解决传统LTE-5G切换在毫米波链路中断期间高延迟和业务中断的问题。
• 实现LTE与毫米波无线接入技术（RAT）之间的无缝、低延迟切换，以提升用户体验。
• 在PDCP层设计并实现一种双连接架构，以支持快速切换，且核心网络参与度最低。
• 使用真实的毫米波信道模型和网络仿真，评估快速切换与硬切换的性能。
• 评估系统级权衡，包括X2接口负载、LTE eNB上的计算开销以及控制面信令。

提出的方法

• 提出一种PDCP层双连接架构，支持同时连接至LTE和毫米波eNB。
• 设计新的RRC级控制流程，通过单条控制消息实现RAT之间的快速切换，无需核心网络干预。
• 在ns-3网络仿真器中实现双连接与硬切换方案，使用NYU毫米波模块和LTE模块。
• 引入协调器功能，根据用户设备（UE）上报的信道测量报告，管理毫米波小区关联决策。
• 采用NYU信道模型模拟毫米波传播，考虑路径损耗、遮挡和阴影效应。
• 在具有动态信道条件和移动性的真实城市毫米波场景中进行仿真，以对比性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RLC PDU传输方面，双连接快速切换与传统硬切换相比，端到端延迟有何差异？
• RQ2 X2接口带宽对毫米波网络中快速切换与硬切换性能有何影响？
• RQ3 在不同信道条件下，快速切换与硬切换的分组丢失率和RRC信令开销有何差异？
• RQ4 当LTE eNB托管双连接协调器功能时，其计算和信令负载有何影响？
• RQ5 在高遮挡概率的毫米波环境中，快速切换能否维持比硬切换更低的服务中断时间和更高的可靠性？

主要发现

• 由于服务中断时间最小化，快速切换相比硬切换显著降低了RLC PDU传输的端到端延迟。
• 在高速移动或易受遮挡的毫米波场景中，快速切换的分组丢失率显著低于硬切换。
• 快速切换方案的RRC控制信令开销明显更低，因为它避免了重复的RRC连接重建过程。
• X2接口在快速切换中成为关键瓶颈，其数据速率需求与毫米波eNB上所有活动UE数据速率之和相当。
• 由于协调任务（包括信道报告处理和双连接流量的PDCP加密）的增加，LTE eNB的计算负载显著提升。
• 尽管集成复杂度较低，硬切换仍因更高的RRC信令开销和更长的中断时间，不适用于超可靠、低延迟的应用。