[論文レビュー] SOARAN: A Service-oriented Architecture for Radio Access Network Sharing in Evolving Mobile Networks

Jun He, Wei Song|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2015

Software-Defined Networks and 5G参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

SOARANは、進化するモバイルネットワークにおける無線アクセスネットワーク（RAN）共有のためのサービス指向アーキテクチャを提案する。このアーキテクチャは、アプリケーションレベルの体験品質（QoE）要件を物理的無線リソースから分離することで、中央集約型コントローラーによるアプリケーションレベルリソース割り当ての最適化と分散型フロー単位スケジューリングを可能にし、運用者指向の予約方式と比較して最大200％高い効用と優れたQoE満足度を達成する。

ABSTRACT

Mobile networks are undergoing fast evolution to software-defined networking (SDN) infrastructure in order to accommodate the ever-growing mobile traffic and overcome the network management nightmares caused by unremitting acceleration in technology innovations and evolution of the service market.Enabled by virtualized network functionalities, evolving carrier wireless networks tend to share radio access network (RAN) among multiple (virtual) network operators so as to increase network capacity and reduce expenses.However, existing RAN sharing models are operator-oriented, which expose extensive resource details, e.g. infrastructure and spectrum,to participating network operators for resource-sharing purposes. These old-fashioned models violate the design principles of SDN abstraction and are infeasible to manage the thriving traffic of on-demand customized services. This paper presents SOARAN, a service-oriented framework for RAN sharing in mobile networks evolving from LTE/LTE advanced to software-defined carrier wireless networks(SD-CWNs), which decouples network operators from radio resource by providing application-level differentiated services. SOARAN defines a serial of abstract applications with distinct Quality of Experience (QoE) requirements. The central controller periodically computes application-level resource allocation for each radio element with respect to runtime traffic demands and channel conditions, and disseminate these allocation decisions as service-oriented policies to respect element. The radio elements then independently determine flow-level resource allocation within each application to accomplish these policies. We formulate the application-level resource allocation as an optimization problem and develop a fast algorithm to solve it with a provably approximate guarantee.

研究の動機と目的

• 進化するモバイルネットワークにおけるスケーラビリティを妨げる低レベルのインfra構造的詳細を露呈する運用者指向のRAN共有モデルの限界を解消すること。
• ネットワーク運用者および仮想ネットワーク運用者を物理的無線リソースから分離し、SDNの原則に適合させ、管理を簡素化すること。
• アプリケーションレベルでのリソース割り当ての抽象化により、多様なアプリケーションに対して差別化された体験品質（QoE）保証を可能にすること。
• ソフトウェア定義キャリア無線ネットワーク（SD-CWNs）において、オンデマンドでカスタマイズされたサービスをサポートするスケーラブルかつ効率的なリソース割り当てフレームワークを開発すること。

提案手法

• アプリケーションに異なるQoE要件を有するサービス指向の抽象化レイヤーを導入し、それらを下位の無線リソース詳細から分離する。
• 動的トラフィックおよびチャネル状態の下で効用を最大化する最適化問題としてアプリケーションレベルリソース割り当てを定式化する。
• 中央集約型リソース割り当て問題を効率的に解くための、証明可能な近似保証を持つ高速アルゴリズムを設計する。
• 中央コントローラーから高レベルのサービスポリシーを無線エレメントに配布し、それらが局所的なチャネル状態に基づいて分散型リアルタイムフローレベルスケジューリングを実行する。
• リソース配分におけるアプリケーションの好みと公平性をモデル化するために、効用関数（線形および対数）を用いる。
• 複数のアプリケーションおよび無線エレメントにおける現実的なトラフィック負荷と帯域幅要件を想定したシミュレーションを用いて、フレームワークを実装および評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 進化するモバイルネットワークにおける多様なアプリケーションのためのサービス指向型、QoE保証型アクセスを実現するためには、RAN共有をどのように再構築すべきか？
• RQ2 アプリケーションレベルのサービス要件を物理的無線リソース管理から分離することで、システムのパフォーマンスとスケーラビリティはどの程度向上するか？
• RQ3 従来の運用者または主体指向のリソース予約方式と比較して、サービス指向型RAN共有モデルはどの程度のパフォーマンス向上を達成するか？
• RQ4 SOARANは、制御プレーンのオーバーヘッドを最小限に抑えながら、動的トラフィック需要にどのように適合し、公平性を維持するか？

主な発見

• 線形効用関数下で、SOARANはPer-Base-station Reservation（Per-Bs-Rsv）方式に比べ最大200％高い集約効用を達成し、Network Reservation（Net-Rsv）方式に比べ最大40％高い効用を達成した。
• 対数効用関数下では、SOARANは公平性を維持し、特に高負荷下で主体指向方式と比較して顕著に優れたパフォーマンスを発揮した。
• SOARANはトラフィック需要の増加に応じてリソース割り当てを効果的に適応し、特にデータ集約型アプリケーションにおいて、Net-RsvおよびPer-Bs-Rsvで見られる未利用リソースの問題を回避した。
• SOARANでは、高負荷下でもQoE満足フロー数が高く維持されたが、Net-RsvおよびPer-Bs-Rsvは最も軽い負荷下でもすべてのフローをサポートできなかった。
• 証明可能な近似保証を持つ中央集約型最適化により、フローレベルのディープパケットインスペクションを必要とせず、効率的かつスケーラブルなリソース割り当てが可能になった。
• SOARANはSDNの原則と完全に整合しており、ソフトウェア定義キャリア無線ネットワーク（SD-CWNs）の抽象化および仮想化の目標を支援する。