[論文レビュー] Network Slicing Based 5G and Future Mobile Networks: Mobility, Resource Management, and Challenges

H. Zhang, Ningjun Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、2段階の不均一ネットワークにおける連携電力およびサブチャンネル割り当て方式を用いて、eMBB、uRLLC、およびIoTスライス間で動的でQoE指向のリソース割り当てを可能にする5Gネットワークスライシングの論理的アーキテクチャを提案する。シミュレーション結果は、同方式が同層およびクロス層干渉を効果的に管理し、システム容量を向上させるとともに、多様なサービス要件に応じた柔軟で効率的なリソース共有を可能にすることを示している。

ABSTRACT

The fifth-generation (5G) networks are expected to be able to satisfy users' different quality-of-service (QoS) requirements. Network slicing is a promising technology for 5G networks to provide services tailored for users' specific QoS demands. Driven by the increased massive wireless data traffic from different application scenarios, efficient resource allocation schemes should be exploited to improve the flexibility of network resource allocation and capacity of 5G networks based on network slicing. Due to the diversity of 5G application scenarios, new mobility management schemes are greatly needed to guarantee seamless handover in network slicing based 5G systems. In this article, we introduce a logical architecture for network slicing based 5G systems, and present a scheme for managing mobility between different access networks, as well as a joint power and subchannel allocation scheme in spectrum-sharing two-tier systems based on network slicing, where both the co-tier interference and cross-tier interference are taken into account. Simulation results demonstrate that the proposed resource allocation scheme can flexibly allocate network resources between different slices in 5G systems. Finally, several open issues and challenges in network slicing based 5G networks are discussed, including network reconstruction, network slicing management and cooperation with other 5G technologies.

研究の動機と目的

• 高速移動性、高密度、および大規模なIoT環境をカバーする5Gネットワークにおいて、多様でカスタマイズ可能なQoE要件を満たす挑戦に取り組む。
• ネットワークスライシングを採用する5Gシステムにおける、異なるアクセスネットワーク間でのシームレスなハンドオーバーを可能にするモビリティ管理方式を設計する。
• 2段階ネットワークにおける両方の干渉（同層およびクロス層）を考慮しつつ、リソース利用効率を最適化するための連携電力およびサブチャンネル割り当てメカニズムを開発する。
• 多数のサービススライスを有する高密度な不均一ネットワークにおけるスライシングの実現可能性と性能を調査する。
• ネットワーク再構築、スライシング管理、およびSDN、NFV、C-RANなどの他の5G技術との統合に関する未解決の課題を特定し、議論する。

提案手法

• SDNおよびNFVの原則に基づく5Gシステムにおけるネットワークスライシングの論理的アーキテクチャを提案し、エンドツーエンドの仮想化と動的リソースプロビジョニングを可能にする。
• スライス環境下での移動端末ユーザーのシームレスな接続を支援する、異なるアクセスネットワーク間でのハンドオーバー手順の見直しを導入する。
• マクロセルとスモールセルからなる2段階ネットワークにおいて、QoE制約下でシステム容量を最大化するための連携電力およびサブチャンネル割り当て方式を開発する。
• リソース割り当てフレームワーク内に、スモールセル間およびマクロセル間の同層干渉、およびスモールセルとマクロセル間のクロス層干渉の両方をモデル化・考慮する。
• 異なるスライスタイプおよびスモールセル数の変動を想定した、シミュレーションベースの性能評価を実施する。
• RAN、コアネットワーク、アクセス層を横断するリソース割り当ておよびスライシング運用を管理するため、階層的コントローラーを備えた集中型コントロールプレーンを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eMBB、uRLLC、IoTといった異なるQoE要件を有する多様な5Gサービス要件を満たすために、ネットワークスライシングをどのようにアーキテクチャ設計すればよいか？
• RQ2 ネットワークスライシング環境下で、異なるアクセスネットワーク間でのシームレスなハンドオーバーを確保するために必要なモビリティ管理メカニズムは何か？
• RQ3 2段階5Gネットワークにおけるシステム容量を最大化すると同時に、同層およびクロス層干渉を管理するため、連携電力およびサブチャンネル割り当てをどのように最適化できるか？
• RQ4 特に高密度な不均一ネットワークにおいて、スライスの展開および管理に際して直面する主な課題は何か？
• RQ5 エンドツーエンドのサービスカスタマイズを可能にするために、ネットワークスライシングをSDN、NFV、C-RANなどの他の5G技術と効果的に統合するにはどうすればよいか？

主な発見

• 提案された連携電力およびサブチャンネル割り当て方式は、同層およびクロス層干渉を効果的に管理することで、高密度な不均一ネットワークにおけるシステム容量を顕著に向上させる。
• eMBBスライスの容量はuRLLCスライスよりも顕著に高く、後者は低遅延・低データ量の性質から約20倍低い。
• スモールセル数の増加に伴い、eMBBおよびuRLLCスライスからのクロス層干渉の増大に起因して、IoTスライスの合計容量が低下する。
• ユーザー密度の上昇に伴い、スモールセル間の同層干渉が増大し、送信電力の上昇を引き起こし、結果としてクロス層干渉が悪化する。その結果、IoTスライスの容量に悪影響を及ぼす。
• シミュレーション結果は、提案されたリソース割り当てメカニズムが、異なるスライス間で柔軟かつ効率的なネットワークリソースの割り当てを可能にし、全体のシステム性能を向上させることを確認している。
• この方式は、遅延に敏感な（uRLLC）および遅延に余裕がある（eMBB、IoT）両方のシナリオで高い性能を示し、多様なQoE要件への適応性を裏付けている。