5G NSA와 LTE-A 이종 네트워크 환경에서의 핸드오버 최적화를 위한 Carrier Aggregation 셀 선택 기법

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a cell selection scheme that reduces the HO rate in order to minimize the handover delay of carrier aggregation techniques in 5G NSA and LTE-A heterogeneous networks. In order to solve the throughput loss caused by reducing the HO rate, this paper contains a scheme of optimizing HO by adjusting the number of secondary cells (SCell) which additionally connects to the primary cell (PCell) in the CA technology.
In order to propose a CA cell selection scheme for HO optimization in the 5G NSA and LTE-A HetNet environment, the analysis was conducted based on the LTE-A environment. The reason for choosing the LTE-A environment among the various wireless network protocols is that the LTE-A environment is analyzed and modeled through various studies, unlike the 5G NR environment currently under discussion. The HetNet environment is expected to become denser in order to cope with increasing mobile traffic. In a dense network environment, as UE moves, HO occurs frequently and HO delay becomes longer. HO signalling and radio link switching occur during HO delay, therefore data transmission is interrupted. The loss of throughput due to this HO delay is expected to be further intensified in CA technology. If the CA technology is used, the SCell will have an additional activation delay in addition to the HO delay whenever the HO occurs for the PCell connected to the UE. The greater the number of connected SCell, the greater the reduction of throughput due to HO delay. However, minimizing the HO rate to reduce HO delay also results in loss of throughput. When the HO rate is reduced, the UE does not connect to the base station (BS) having the strongest signal strength but maintains the connection with the current BS. Throughput loss can be compensated through the connection of multiple SCells. Therefore, this paper proposes HO optimization through CA cell selection scheme which guarantees throughput while decreasing HO delay.
Previous studies have reduced HO rate by omitting HO based on geographic information, but this study decreases the HO rate based on received signal strength. It differs from previous studies in that it is based on the standardized HO procedure. Also, unlike previous studies of HO in the environment where CA technology is not used, this paper suggests a model to optimize HO by analyzing the effect of HO on CA technology. A CA cell selection scheme for optimized HO is proposed and analyzed. It is confirmed that the cell selection scheme proposed in this study guarantees throughput while reducing HO delay.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 5G non-standalone (NSA) 와 Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) 이종 네트워크 환경 (heterogeneous networks, HetNet) 에서 캐리어 어그리게이션 (carrier aggregation, CA) 기술의 핸드오버 지연시간 (handover delay, HO delay)을 최소화하기 위하여 HO 발생률을 감소시키는 셀 (cell) 선택 기법을 제안한다. HO 발생률을 감소시키면서 발생하는 전송률 (throughput) 손실을 해결하기 위하여 CA 기술에서 주 셀(primary cell, PCell)에 추가적으로 연결하는 보조 셀 (secondary cell, SCell)의 개수를 조절하여 HO를 최적화하는 방법에 대한 내용을 담고 있다.
5G NSA와 LTE-A HetNet 환경에서의 HO 최적화를 위한 CA 셀 선택 기법을 제안하기 위하여 본 연구에서는 5G NSA와 LTE-A 환경을 바탕으로 분석을 진행하였다. 여러 무선 네트워크 프로토콜들 중에서 5G NSA와 LTE-A 환경을 선택한 이유는 5G NSA는 5G와 LTE를 혼합하여 사용하는 통신 기술로 ‘징검다리’ 기술이기 때문이다. 5G 통신으로의 통신 세대교체가 끝난 후 에야 5G NR은 통신 표준으로 확정되어 보편화 될 것이다. 또한, LTE-A 환경은 여러 연구들을 통하여 분석되고 모델링 되었기 때문에 LTE-A 환경을 바탕으로 본 연구는 분석을 수행하였다.
증가하는 모바일 트래픽을 감당하기 위하여 HetNet 환경은 점점 밀집화 될 것으로 예상된다. 밀집화 된 네트워크 환경에서 단말이 이동함에 따라 잦은 HO가 발생하여 HO delay가 길어지게 된다. HO delay 동안에는 HO signaling과 radio link switching이 발생하기 때문에 데이터의 전송이 중단된다. 이러한 HO delay로 인한 throughput의 손실은 CA 기술에서 더 심화될 것으로 예상된다. CA 기술을 사용하게 되면 단말이 연결하고 있는 PCell 에 대하여 HO가 발생할 때마다 SCell 은 HO delay 이외에 추가적인 activation delay를 갖기 때문이다. 연결하고 있는 SCell 의 개수가 많을수록 HO delay로 인한 throughput의 감소는 심화된다. 하지만 HO delay를 줄이기 위하여 HO 발생률을 최소화하는 것 또한 throughput 손실을 초래한다. HO 발생률을 감소시키면 단말은 가장 강한 신호세기를 갖는 기지국 (base station, BS)와 연결하지 않고 기존의 BS와의 연결을 유지하기 때문이다. 이 때 발생하는 throughput 손실은 다수의 SCell들의 연결을 통하여 보완할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 HO delay를 줄이면서 throughput을 보장하는 CA 셀 선택 기법을 통한 HO 최적화를 제안한다.
기존 연구들은 지리적 정보를 바탕으로 HO를 생략하여 HO 발생률을 감소시켰지만 본 연구는 수신 신호세기를 바탕으로 HO 발생률을 감소시킨다. 이는 현재 표준화된 HO 절차를 바탕으로 한다는 점에서 기존 연구들과 큰 차이를 보인다. 또한, 기존 연구들은 CA 기술이 사용되지 않은 환경에서 HO를 분석한 점과는 달리, 본 연구는 HO가 CA 기술에 미치는 영향을 분석하여 HO를 최적화하는 모델을 제시한다. 최적화된 HO를 위한 CA 셀 선택 기법을 제안하고 분석하였으며, 분석 결과 본 연구에서 제시하는 셀 선택 기법이 HO delay를 줄이면서 throughput을 보장함을 확인하였다.