[논문 리뷰] Multicast eMBB and Bursty URLLC Service Multiplexing in a CoMP-Enabled RAN

Peng Yang, Xing Xi외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 21.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 CoMP 기반 네트워크에서 다중 시간스케일 최적화 프레임워크를 제안하여 멀티캐스트 eMBB 및 급격한 변화가 있는 URLLC 서비스를 동시에 지원한다. 표본 평균 근사법과 반복 알고리즘을 활용하여 엄격한 지연 및 신뢰성 제약 조건 하에서 낮은 패킷 차단 확률을 달성하고 슬라이스 유틸리티를 최대화한다.

ABSTRACT

This paper is concerned with slicing a radio access network (RAN) for simultaneously serving two typical 5G and beyond use cases, i.e., enhanced mobile broadband (eMBB) and ultra-reliable and low latency communications (URLLC). Although many researches have been conducted to tackle this issue, few of them have considered the impact of bursty URLLC. The bursty characteristic of URLLC traffic may significantly increase the difficulty of RAN slicing on the aspect of ensuring a ultra-low packet blocking probability. To reduce the packet blocking probability, we re-visit the structure of physical resource blocks (PRBs) orchestrated for bursty URLLC traffic in the time-frequency plane based on our theoretical results. Meanwhile, we formulate the problem of slicing a RAN enabling coordinated multi-point (CoMP) transmissions for multicast eMBB and bursty URLLC service multiplexing as a multi-timescale optimization problem. The goal of this problem is to maximize multicast eMBB and bursty URLLC slice utilities, subject to physical resource constraints. To mitigate this thorny multi-timescale problem, we transform it into multiple single timescale problems by exploring the fundamental principle of a sample average approximation (SAA) technique. Next, an iterative algorithm with provable performance guarantees is developed to obtain solutions to these single timescale problems and aggregate the obtained solutions into those of the multi-timescale problem. We also design a prototype for the CoMP-enabled RAN slicing system incorporating with multicast eMBB and bursty URLLC traffic and compare the proposed iterative algorithm with the state-of-the-art algorithm to verify the effectiveness of the algorithm.

연구 동기 및 목표

• 급격한 변화가 있는 URLLC 트래픽을 RAN 슬라이싱에 통합하는 과제를 해결하면서 초고신뢰성, 저지연 성능를 유지한다.
• CoMP 기반 무선 액세스 네트워크에서 물리적 자원 제약 조건 하에서 멀티캐스트 eMBB 및 급격한 변화가 있는 URLLC 슬라이스의 유틸리티를 최대화한다.
• 급격한 변화가 있는 URLLC 트래픽으로 인한 높은 패킷 차단 확률 문제를 정교한 시간-주파수 리소스 블록 할당을 통해 극복한다.
• 다이나믹한 네트워크 환경에서 다중 시간스케일에 걸쳐 공동 자원 할당을 위한 확장 가능하고 증명 가능하게 수렴하는 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 자원 제약 조건 하에서 eMBB 및 URLLC 슬라이스 유틸리티를 동시에 최대화하기 위해 RAN 슬라이싱을 다중 시간스케일 최적화 문제로 수식화한다.
• 복잡한 다중 시간스케일 문제를 해결 가능한 단일 시간스케일 하位 문제로 분해하기 위해 표본 평균 근사(SAA) 기법을 적용한다.
• 각 하위 문제를 해결하고 해를 집계하기 위해 증명 가능하게 수렴하고 성능 보장을 갖춘 반복 알고리즘을 개발한다.
• URLLC 트래픽을 시간에 따라 변하는 대역폭 및 전송 지속 시간 파rameter를 갖는 M/GI/∞ 큐로 모델링한다.
• 정적 상태 확률과 PASTA 성질을 사용하여 큐잉 시스템의 차단 확률 표현식을 유도함으로써 정확한 성능 평가를 가능하게 한다.
• CoMP에서의 다이나믹 대역폭 할당 및 간섭 관리 요소를 고려한 상태에 의존하는 차단 확률 메트릭을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoMP 기반 네트워크에서 멀티캐스트 eMBB 및 급격한 변화가 있는 URLLC 서비스를 최소한의 패킷 차단으로 효율적으로 지원할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 급격한 변화가 있는 URLLC 트래픽은 공유된 무선 액세스 네트워크에서 차단 확률에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 다이나믹한 트래픽 조건 하에서 eMBB 및 URLLC 슬라이스 유틸리티를 동시에 최대화하기 위해 다중 시간스케일 최적화 프레임워크를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 제안된 반복 알고리즘이 실세계 구현 환경에서 최첨단 기법보다 증명 가능하게 수렴하고 더 나은 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 반복 알고리즘은 특히 높은 급격성 조건에서 최첨단 기법보다 훨씬 낮은 URLLC 패킷 차단 확률을 달성한다.
• 표본 평균 근사법의 사용은 다중 시간스케일 문제를 해를 구할 수 있는 단일 시간스케일 하위 문제로 효과적으로 분해하고 수렴 보장을 제공한다.
• PASTA 성질과 M/GI/∞ 큐 모델을 사용하여 유도된 차단 확률 표현식은 다이나믹 대역폭 할당 조건 하에서 URLLC 성능을 정확하게 예측할 수 있다.
• 대역폭 $ W^u $ 가 증가함에 따라 차단 확률은 포아송 기반 표현식으로 수렴하며, 이는 이론적 모델의 정확성이 고부하 환경에서 검증됨을 시사한다.
• 분석 결과, 대역폭 스케일링을 통해 효율적 트래픽 강도 $ q\rho_s $ 를 감소시키면 특히 $ \rho_s < 1 $ 일 때 차단 성능 향상이 가능하다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 알고리즘이 기존 방법보다 eMBB Throughput 및 URLLC 신뢰성 측면에서 모두 뛰어나며 실용적 타당성을 입증한다.