[논문 리뷰] SOARAN: A Service-oriented Architecture for Radio Access Network Sharing in Evolving Mobile Networks

Jun He, Wei Song|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 03.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

SOARAN은 진화하는 모바일 네트워크에서 무선접근망(RAN) 공유를 위한 서비스 지향 아키텍처를 제안하며, 응용 프로그램 수준의 경험 품질(QoE) 요구 사항을 물리적 무선 자원에서 분리한다. 중앙 집중식 컨트롤러를 통한 응용 프로그램 수준 자원 할당 최적화와 분산형 플로우 수준 스케줄링을 통해, 운영자 중심의 예약 방식에 비해 최대 200% 높은 유틸리티와 뛰어난 QoE 만족도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 진화하는 모바일 네트워크에서 저수준 인프라 세부 정보를 노출하고 확장성에 장애를 주는 운영자 중심의 RAN 공유 모델의 한계를 해결한다.
• 네트워크 운영자와 가상 네트워크 운영자를 물리적 무선 자원에서 분리하여 SDN 원칙에 부합하고 관리의 단순화를 이룬다.
• 응용 프로그램 수준에서 자원 할당을 추상화하여 다양한 응용 프로그램에 대해 차별화된 경험 품질(QoE) 보장을 가능하게 한다.
• 소프트웨어 정의 캐리어 웨이퍼리 네트워크(SD-CWNs)에서 온디맨드 및 맞춤형 서비스를 지원하는 확장 가능하고 효율적인 자원 할당 프레임워크를 개발한다.

제안 방법

• 응용 프로그램의 고유한 QoE 요구 사항을 정의하는 서비스 지향 추상화 계층을 도입하여, 이를 기반 무선 자원 세부 정보에서 분리한다.
• 동적 트래픽 및 채널 조건 하에서 유틸리티를 최대화하는 것을 목표로 응용 프로그램 수준 자원 할당을 최적화 문제로 수립한다.
• 중앙 집중식 자원 할당 문제를 효율적으로 해결하기 위해 증명 가능 근사 보장을 갖춘 빠른 알고리즘을 설계한다.
• 중앙 컨트롤러에서 고수준 서비스 정책을 무선 요소로 전파하고, 이를 바탕으로 각 요소가 현지 채널 조건에 따라 분산형 실시간 플로우 수준 스케줄링을 수행한다.
• 응용 프로그램 선호도와 자원 분배의 공정성을 모델링하기 위해 유틸리티 함수(선형 및 로그 함수)를 사용한다.
• 실제 트래픽 부하와 다수의 응용 프로그램, 무선 요소 간의 대역폭 요구 사항을 반영한 시뮬레이션을 통해 프레임워크를 구현하고 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 진화하는 모바일 네트워크에서 다양한 응용 프로그램의 서비스 지향형, QoE 보장 접근 방식을 지원할 수 있는 RAN 공유를 재구성할 수 있는가?
• RQ2 응용 프로그램 수준의 서비스 요구 사항을 물리적 무선 자원 관리에서 분리함으로써 시스템 성능과 확장성은 얼마나 향상되는가?
• RQ3 기존 운영자 또는 기관 중심의 자원 예약 방식에 비해 서비스 지향형 RAN 공유 모델은 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ4 SOARAN은 제어 평면 오버헤드를 최소화하면서도 동적 트래픽 수요에 어떻게 적응하고 공정성을 유지하는가?

주요 결과

• 선형 유틸리티 함수 하에서 SOARAN은 기본국소예약(Per-Bs-Rsv) 방식보다 최대 200% 높은 총 유틸리티를 달성하고, 네트워크 예약(Network-Rsv) 방식보다 최대 40% 높은 성능을 보인다.
• 로그 유틸리티 함수 하에서 SOARAN은 공정성을 유지하면서도 특히 고부하 상황에서 기관 중심 방식보다 훨씬 뛰어난 성능을 달성한다.
• SOARAN은 증가하는 트래픽 수요에 효과적으로 자원 할당을 적응시켜, Net-Rsv 및 Per-Bs-Rsv에서 관찰되는 부족한 자원 활용도를 방지한다.
• SOARAN에서는 고부하 조건에서도 QoE 만족 플로우 수가 높은 편을 유지하지만, Net-Rsv 및 Per-Bs-Rsv는 경량 부하 조건에서도 모든 플로우를 지원하지 못한다.
• 증명 가능 근사 보장을 갖춘 중앙 집중식 최적화를 통해, 플로우 단위 깊은 패킷 검사 없이도 효율적이고 확장 가능한 자원 할당이 가능하다.
• SOARAN은 완전히 SDN 원칙에 부합하며, 소프트웨어 정의 캐리어 웨이퍼리 네트워크(SD-CWNs)의 추상화 및 가상화 목표를 지원한다.