[논문 리뷰] Optimization Results for 5G Slice-in-Slice Scheduling

Sharvari Ravindran, Saptarshi Chaudhuri외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 28.

Software-Defined Networks and 5G인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 오픈 RAN(ORAN) 네트워크에서 5G 슬라이스-인-슬라이스 스케줄링을 위한 새로운 최적화 결과를 제시하며, 그래프 색칠과 확률적 자원 할당을 활용하여 네트워크 슬라이스 용량을 최대화한다. 이는 유한한 종속성과 분산 조건 하에서 사용자 서비스당 상대적 자원 할당이 0에 수렴할 경우 슬라이스 용량이 0으로 수렴함을 증명하여, SLA 준수 RAN 슬라이싱을 위한 기본적인 한계를 설정한다.

ABSTRACT

Open Radio Access Network (ORAN) Slicing for 5G and Beyond is an emerging architecture and feature that will facilitate challenging RAN Service Level Agreement (SLA) assurance targets. This could pave the way for operators to realize the benefits of network slicing efficiently. In this paper, we provide novel and detailed optimization results to achieve Slice-in-Slice Scheduling for 5G User Services in ORAN slicing.

연구 동기 및 목표

• 5G 오픈 RAN 네트워크 슬라이싱에서 신뢰성 있는 서비스 수준 협약(SLA) 이행 문제를 해결하기 위해.
• 제한된 시스템 자원 내에서 사용자 서비스 용량을 최대화함으로써 슬라이스-인-슬라이스 스케줄링을 모델링하고 최적화하기 위해.
• 사용자당 자원 할당이 감소함에 따라 네트워크 슬라이스 용량의 이론적 한계를 분석하기 위해.
• 다중 카테고리 슬라이스-인-슬라이스 아키텍처에서 종속성과 자원 할당을 모델링하기 위해 그래프 색칠과 확률적 방법을 적용하기 위해.

제안 방법

• 전체 시스템 자원 제약 조건 하에 각 슬라이스-인-슬라이스 카테고리당 최대 사용자 서비스 수의 합으로 네트워크 슬라이스 용량을 정의한다.
• 사용자당 자원 할당을 위한 랜덤 변수를 사용하고, 상대적 할당을 $ A_i = R_i / r_{\text{max}} $ 로 정의하며, 기대값을 $ a $ 로 설정한다.
• 비에이메-체비셰프 부등식과 전체 분산의 법칙을 적용하여 총 상대적 자원 할당 $ R $ 의 분산을 근사한다.
• 상호 사용자 서비스 자원 할당 간의 종속성 조건을 유한한 평균 $ a' $, 분산 $ \sigma_a^2 $, 공분산 $ c_{a'} $ 를 통해 도입한다.
• 유용성 기반의 스루풋 함수 $ u_i(t) = \frac{f_d e^{\beta r_i s_i}}{\Delta t} $ 를 사용하여 비균일한 포아송 과정으로 스루풋을 모델링한다.
• k-분할 그래프에 대해 색 다항식 이론을 적용하여, n-분할 그래프에서 순열 색칠을 위해 $ k(k-1)^{n-1} $ 개의 색이 필요하다는 것을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자당 자원 할당이 0으로 수렴할 경우 네트워크 슬라이스 용량의 이론적 한계는 무엇인가?
• RQ2 사용자 서비스 간 종속성이 총 자원 할당의 분산과 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 그래프 색칠 모델은 슬라이스-인-슬라이스 아키텍처에서 자원 할당을 정확하게 모델링하고 최적화할 수 있는가?
• RQ4 유한한 분산과 공분산이 시스템 자원 할당 수렴에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 k-분할 그래프의 색 다항식은 다중 카테고리 슬라이싱에서 최적의 색(자원) 할당과 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 유한한 평균 $ a' $, 분산 $ \sigma_a^2 $, 공분산 $ c_{a'} $ 조건 하에서 사용자 서비스당 상대적 시스템 자원 할당이 $ \rightarrow 0 $ 으로 수렴할 경우 네트워크 슬라이스 용량 $ \mathcal{C} $ 는 0으로 수렴한다.
• 분산 $ V[R] \rightarrow 0 $ 이며, $ a \rightarrow 0 $ 이고 $ a' \rightarrow 0 $ 이며, $ \sigma_a^2 \cdot (g/a)^2 \rightarrow 0 $ 이고 $ c_{a'} \cdot E[U^4 - U^2] \rightarrow 0 $ 이면 성립한다.
• 유한한 분산과 종속성 제약 조건으로 인해 최대 용량에서도 비영인 SLA 확률 $ P[T \leq r_{\text{max}}] > 0 $ 이 달성된다.
• n-분할 그래프의 경우, 순열 색칠 전략은 $ k(k-1)^{n-1} $ 개의 색이 필요하며, 여기서 $ k $ 는 가용 색의 수이다.
• 최적의 자원 할당 $ r_i $ 는 신호 대 간섭 비율(SNR) $ s_i $ 에 대한 확률 분포 함수의 도함수를 최대화함으로써 유도된다.
• 사용자 서비스 스루풋의 확률 분포 함수는 $ \sum_{i=1}^n i e^{\beta r_i s_i} $ 를 포함하는 지수 및 다항식 항의 합으로 표현되며, 조건부 확률에 대한 닫힌 형태의 표현식이 유도되었다.