5G Communication Survey (논문 리뷰)

첫 리뷰는 5G에서는 어떤 주제들이 있고, 현재 논문의 트렌드는 어떤 방향인가에 대해서 알아보는 것이 좋겠다고 생각해서 Survey 논문을 선정해 보았다. 또한, 이 논문은 Google Scholar에서 찾아봤을 때, 무료로 열람할 수 있기 때문에, 관심이 있으면 직접 읽어보는 것도 좋을 것 같다.

 

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논문 제목 : A Survey on Low Latency Towards 5G: RAN, Core Network and Caching Solutions

 

저널명 : IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS

 

출판년도 : FOURTH QUARTER 2018

 

저자 : Imtiaz Parvez , Student Member, IEEE, Ali Rahmati, Student Member, IEEE, Ismail Guvenc , Senior Member, IEEE, Arif I. Sarwat , Senior Member, IEEE, and Huaiyu Dai, Fellow, IEEE

 

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Abstarct & Introduction

본 논문에서는 5G 시대에서 가장 중요한 요소 중 하나인 Low-Latency를 만족하기 위한 Solution을 RAN / Core Network / Caching이라는 3가지 Part로 나눠서 소개했다. Low-Latency는 자율주행같은 Real-time System에 반드시 필요하다. URLLC에서는 1ms의 Low Latency와 99.999%의 Reliablity로 정해져 있지만, 3GPP에서는 다양한 시나리오에 따라서 다른 요구사항을 적용하고 있다. Factory Automation / Robotics / Intelligent Transport System (ITS) 등 모두 다른 요구 사항을 필요로 하기 때문에 각 요구사항에 맞는 최적화를 거침으로써 Low-Latency 요구조건을 만족시키게 된다. 

 

Cellular Network에서의 Latency 구성

 User Plane(U-Plane)과 Control Plane(C-Plane) 중, RRC Layer에서 Connected 된 이후의 상태를 기준으로 U-Plane이 Low-Latency와 밀접한 관련이 있기 때문에, U-Plane의 Latency를 다룬다. 그리고 End-to-End latency (E2E Latency)는 UE와 서비스를 제공할 수 있는 상대까지 메시지가 도달하는 시간을 가리키는데, 다음과 같은 식을 가지게 된다. T(Total)= T(Radio) + T(Backhaul) + T(Core) + T(Transport).

 

 하지만 결국은 UE와 기지국 사이의 통신 RAN / Core 망의 통신 / 메시지의 Caching에 따른 시간지연 감소방법 세가지 중 하나를 통해서 도달시간을 줄이게 되기 때문에 각 카테고리로 나눠서 방법을 소개한다. 카테고리가 엄격하게 나눠진 것은 아니고, 각 카테고리에도 많은 논문들이 소개되어 있지만, 이 리뷰에서는 대략적인 연구방향을 제시하기 위해 선정한 것이기 때문에 관련 논문은 별도의 페이지에서 소개하도록 한다.

 

Radio Access Network (RAN)

RAN에서 지연시간을 줄이기 위한 방법도 여러 개로 나뉠 수 있다. 이 논문에서는 9가지 경우로 나눠서 Latency를 낮출 방법을 survey했다.

 

1) 5G OFDM에서 설명했던, Flexible Numerology / Sub-carrier Spacing (SCS)를 이용하여 Resource Allocation을 효율적으로 진행하는 방법

2) OFDM가 아닌 다른 Waveform (FBMC/UFMC) 등을 이용하여 메시지를 전달하는 방법

3) 데이터를 어떤 방식으로 Modulation(QPSK, QAM 등)할 지, Channel Coding(Polar/LDPC)을 어떻게 할지 등의 Modulation Coding Scheme (MCS)를 조절하는 방법

4) RAN 전체적인 Control Message를 어떻게 주고 받음으로써 Latency를 줄일지에 대한 방법

5) Receiver입장에서 받아들인 Symbol을 빠르게 Estimate할 수 있도록 해서 processing delay를 낮출 수 있는 방법

6) mmWave를 사용하여 Latency를 줄이는 방법

7) Tx와 Rx의 거리 등 위치정보를 이용하여 Channel 환경을 분석하고 이를 기반으로 Latency를 줄이는 방법

8) 다양한 시나리오에 맞는 QoS/QoE를 지원하기 위한 Bandwidth 할당 등을 통한 Latency 줄이는 방법

9) 5G에서는 데이터를 처리하는 DU와 데이터를 송수신만 하는 RU를 분리하는 Cloud RAN(C-RAN)을 사용되는데, C-RAN을 최적화함으로써 Latency를 줄이는 방법이 있다. 

 

Core Network (CN)

5G Core Network에서는 SDN과 NFV라는 구조를 사용한다. LTE 기반의 ECP에서는 Virtual Machine (VM)에서 sotware로 되어있는 Network Function이 실행되고, C-Plane과 U-Plane이 분리될 수 있다. SDN controller가 분리된 Plane들을 이어주는 Interface 역할을 한다. 이런 방식을 통해 Mobile Edge Computing 등을 함으로써, Latency를 줄일 수도 있지만, Controller 자체의 delay도 있기 때문에 이 과정의 최적화도 중요한 이슈다. 최근에는, Cell의 크기도 작아지고, Fog computing처럼 더 작은 규모의 분산 처리도 다뤄지고 있기 때문에, 이를 위한 최적화가 Hot-issue 중 하나다.

 

Caching

Caching은 '필요한 정보를 미리 가져다 두는 기술'이다. 데이터를 지구 반대편 아마존 서버까지 가서 갖고오는 것보다 일본이나 국내에 있는 데이터 센터에서 가져오는게 빠르다는 것은 알 수 있을 것이다. 그러면 여기서 이슈는 '어떤' 정보를, '얼마나', '어디로'가져와야할지다. 데이터 센터의 크기는 한정되어 있고, 데이터를 주고 받을 수 있는 Channel도 한정되어 있기 때문에, 이를 최적화시키기 위한 연구가 있다. 예를 들어보자면, A라는 정보가 얼마나 인기(Popularity)가 있을지는 Zipf distribution라는 분포를 따른다고 가정한다. 이런 가정들을 기반으로 최적화할 변수들을 선정하고, Latency를 최소화시키는 논문들이 많이 제안되고 있다.

 

Conclusion

Survey 논문인만큼 새로운 5G 기법에 대한 제안이 아닌, 이미 제안된 다른 논문들에 대한 정리가 들어있었다. Latency에 대한 proposal을 RAN에 대한 논문/ Core에 대한 논문 / Caching에 대한 논문으로 나눠서 기본 이론을 간단하게 소개하고 정리했기 때문에 조금 더 이해하기 쉬웠던 것 같다. 또한, AR/VR이나 원격진료 같은 5G 적용 시나리오에 대한 언급부터 기술의 트렌드 등이 담겨있다. 이 글에서 해당하는 기술들을 상세히 다루기는 양이 많기 때문에, 이어지는 글에서 RAN에 대한 내용대한 논문을 시작으로 하나씩 Focusing하여 다양한 기술에 대한 분석을 하고자 한다.

 

reference

[1] I. Parvez, A. Rahmati, I. Guvenc, A. I. Sarwat and H. Dai, "A Survey on Low Latency Towards 5G: RAN, Core Network and Caching Solutions," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 4, pp. 3098-3130, Fourthquarter 2018, doi: 10.1109/COMST.2018.2841349.