[論文レビュー] Multicast eMBB and Bursty URLLC Service Multiplexing in a CoMP-Enabled RAN

Peng Yang, Xing Xi+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2020

Software-Defined Networks and 5G参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、CoMP対応ネットワークにおけるRANスライシングのためのマルチタイムスケール最適化フレームワークを提案し、マルチキャストeMBBおよびバースト性を持つURLLCサービスを統合的にサポートする。サンプル平均近似と反復アルゴリズムを活用することで、厳密な遅延および信頼性制約のもとで、低パケットブロッキング確率を達成し、スライス効用を最大化する。

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.

研究の動機と目的

• バースト性を持つURLLCトラフィックをRANスライシングに統合する課題に対処し、超高信頼性・低遅延性能を維持すること。
• CoMP対応無線アクセスネットワークにおける物理的リソース制約のもとで、マルチキャストeMBBおよびバースト性を持つURLLCスライスの両方の効用を最大化すること。
• バースト性を持つURLLCトラフィックによる高いパケットブロッキング確率の困難を、洗練された時間周波数リソースブロック割り当てによって克服すること。
• 動的ネットワーク環境における複数タイムスケールにわたるリソース割り当てを統合的に最適化するスケーラブルで、証明可能に収束するアルゴリズムの開発。

提案手法

• リソース制約のもとでeMBBおよびURLLCスライス効用を同時に最大化することを目的とした、マルチタイムスケール最適化問題としてRANスライシングを定式化する。
• 複雑なマルチタイムスケール問題を扱いやすい単一タイムスケールサブ問題に分解するために、サンプル平均近似（SAA）手法を適用する。
• 各サブ問題を解き、解を統合するための、証明可能に収束し、性能保証を持つ反復アルゴリズムを開発する。
• URLLCトラフィックを、時間変動する帯域幅および伝送時間パラメータでバースト性を捉えるM/GI/∞キューとしてモデル化する。
• キューイングシステムの定常状態確率とPASTA性質を用いて、ブロッキング確率の式を導出し、性能評価を正確に行う。
• CoMPにおける動的帯域幅割り当ておよび干渉管理を反映した、状態依存ブロッキング確率メトリクスを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoMP対応ネットワークにおいて、マルチキャストeMBBおよびバースト性を持つURLLCサービスを効率的にサポートするには、どのようにすればパケットブロッキングを最小限に抑えられるか？
• RQ2 バースト性を持つURLLCトラフィックは、共有無線アクセスネットワークにおけるブロッキング確率にどのような影響を及ぼすか？ そして、その影響をどのように軽減できるか？
• RQ3 動的トラフィック状態のもとで、eMBBおよびURLLCスライスの両方の効用を同時に最大化するためのマルチタイムスケール最適化フレームワークは、どのように設計できるか？
• RQ4 提案された反復アルゴリズムは、実環境での展開シナリオにおいて、最先端手法よりも証明可能な収束性と優れた性能を達成できるか？

主な発見

• 提案された反復アルゴリズムは、特に高いバースト性下でも、最先端手法と比較して顕著に低いURLLCパケットブロッキング確率を達成する。
• サンプル平均近似の活用により、収束保証付きの解ける単一タイムスケールサブ問題に、マルチタイムスケール問題を効果的に分解できる。
• PASTA性質とM/GI/∞キューモデルを用いて導出したブロッキング確率式により、動的帯域幅割り当て下でのURLLC性能を正確に予測可能である。
• 帯域幅 $ W^u $ が増加するにつれて、ブロッキング確率はポissonに基づく式に収束し、理論モデルの高負荷領域における正確性が裏付けられる。
• 分析から、帯域幅スケーリングによって有効トラフィック強度 $ q\rho_s $ を低減させることで、特に $ \rho_s < 1 $ の場合にブロッキング性能が向上することが示された。
• シミュレーション結果から、提案アルゴリズムが、eMBBスルーレットおよびURLLC信頼性の両面で、既存手法を上回ることが確認され、実用的妥当性が裏付けられた。