[논문 리뷰] Network Slicing Based 5G and Future Mobile Networks: Mobility, Resource Management, and Challenges

H. Zhang, Ningjun Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 24.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 계층 이질 네트워크에서 전력 및 서브채널 할당 방식을 통합하여 eMBB, uRLLC, 그리고 IoT 슬라이스 간에 동적이고 QoS 인식 자원 할당을 가능하게 하는 5G 네트워크 슬라이싱을 위한 논리적 아키텍처를 제안한다. 시뮬레이션 결과는 이 방식이 동계층 간 및 교차계층 간 간섭을 효과적으로 관리하며, 다양한 서비스 수요에 걸쳐도 탄력적이고 효율적인 자원 공유를 가능하게 하여 시스템 용량을 향상시킴을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고속 이동성, 고밀도 및 매크로 IoT 환경에서 다양한 맞춤형 QoS 요구사항을 충족시키는 5G 네트워크의 도전 과제를 해결한다.
• 네트워크 슬라이싱 기반 5G 시스템에서 다양한 액세스 네트워크 간 순차적 이동을 가능하게 하는 이동성 관리 기법을 설계한다.
• 두 계층 네트워크에서 공존하는 동계층 간 및 교차계층 간 간섭을 고려하여 자원 활용도를 극대화하는 공동 전력 및 서브채널 할당 기법을 개발한다.
• 다양한 서비스 슬라이스를 포함한 밀도 높은 이질적 네트워크에서의 네트워크 슬라이싱의 실현 가능성과 성능을 조사한다.
• 네트워크 재구성, 슬라이싱 관리 및 SDN, NFV, C-RAN과 같은 다른 5G 기술과의 통합과 관련된 열린 과제를 규명하고 논의한다.

제안 방법

• 엔드 투 엔드 가상화 및 동적 자원 제공을 가능하게 하는 SDN 및 NFV 원리를 기반으로 한 5G 시스템의 네트워크 슬라이싱 논리 아키텍처를 제안한다.
• 스ライ싱 환경에서 이동 사용자를 위한 원활한 연결을 지원하는 다양한 액세스 네트워크 간 이동을 위한 개선된 핸드오버 절차를 도입한다.
• 마크로셀과 스몰셀로 구성된 두 계층 네트워크에서 QoS 제약 조건 하에 시스템 용량을 극대화하기 위한 공동 전력 및 서브채널 할당 방식을 개발한다.
• 자원 할당 프레임워크 내에서 스몰셀 간 및 마크로셀 간 동계층 간섭과 스몰셀과 마크로셀 간의 교차계층 간섭을 모두 모델링하고 고려한다.
• 다양한 수의 스몰셀과 다양한 슬라이스 유형에서의 시스템 성능을 평가하기 위해 시뮬레이션 기반 평가를 수행한다.
• RAN, 코어 네트워크 및 액세스 계층 전반에 걸쳐 자원 할당 및 슬라이싱 운영을 관리하기 위해 계층적 제어 평면을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 eMBB, uRLLC, IoT와 같은 다양한 5G 서비스 요구사항(특히 서로 다른 QoS 요구사항)을 충족시키는 네트워크 슬라이싱 아키텍처를 설계할 수 있는가?
• RQ2 네트워크 슬라이싱 환경에서 다양한 액세스 네트워크 간 순차적 이동을 보장하기 위해 필요한 이동성 관리 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 두 계층 5G 네트워크에서 동계층 간 및 교차계층 간 간섭을 관리하면서 시스템 용량을 극대화할 수 있도록 공동 전력 및 서브채널 할당을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ4 특히 밀도 높은 이질적 네트워크에서 스케일링된 네트워크 슬라이싱의 구현 및 관리에 있어 핵심 과제는 무엇인가?
• RQ5 엔드 투 엔드 서비스 맞춤화를 가능하게 하기 위해 네트워크 슬라이싱을 어떻게 SDN, NFV, C-RAN과 효과적으로 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 공동 전력 및 서브채널 할당 방식은 동계층 간 및 교차계층 간 간섭을 효과적으로 관리함으로써, 밀도 높은 이질적 네트워크에서 시스템 용량을 크게 향상시킨다.
• eMBB 슬라이스의 용량은 uRLLC 슬라이스보다 상당히 높으며, 후자는 저지연, 저데이터량 특성으로 인해 약 20배 낮다.
• 스몰셀 수가 증가함에 따라 eMBB 및 uRLLC 슬라이스에서 기인하는 증가하는 교차계층 간섭으로 인해 IoT 슬라이스의 총 용량이 감소한다.
• 사용자 밀도가 증가함에 따라 스몰셀 간의 동계층 간섭이 증가하여 전송 전력이 증가하고, 이는 교차계층 간섭을 악화시켜 IoT 슬라이스 용량에 부정적인 영향을 미친다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 자원 할당 메커니즘이 다양한 슬라이스 간에 탄력적이고 효율적인 네트워크 자원 할당을 가능하게 하여 전체 시스템 성능을 향상시킴을 확인한다.
• 이 방식은 지연 민감성(uRLLC) 및 지연 내성(eMBB, IoT) 환경 모두에서 뛰어난 성능을 보이며, 다양한 QoS 요구사항에 대한 적응 가능성의 타당성을 입증한다.