[논문 리뷰] Realizing ICN in 3GPP's 5G NextGen Core Architecture

Ravishankar Ravindran, Asit K. Chakraborti외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 07.

Caching and Content Delivery참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 제어 및 사용자 평면 기능을 확장하여 정보 중심 네트워킹(ICN) 프rotocol data unit(PDU) 세션을 지원하도록 3GPP의 5G NextGen 코어(5GC) 아키텍처에 원천적으로 통합하는 프레임워크를 제안한다. ICN은 이름 기반 전달 및 분산 캐싱을 활용하여 IP 기반 앵커링에 비해 신호 처리 오버헤드를 줄이고, 5G 네트워크에서 저지연, 확장 가능한 서비스를 위한 효율적인 모바일 엣지 컴퓨팅과 원활한 세션 이동성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The proposed 3GPP's 5G Next-generation (NextGen) Core architecture (5GC) enables the ability to introduce new user and control plane functions within the context of network slicing to allow greater flexibility in handling of heterogeneous devices and applications. In this paper, we discuss the integration of such architecture with future networking technologies by focusing on the information centric networking (ICN) technology. For that purpose, we first provide a short description of the proposed 5GC, which is followed by a discussion on the extensions to 5GC's control and user planes to support Protocol Data Unit (PDU) sessions from ICN. To illustrate the value of enabling ICN within 5GC, we focus on two important network services that can be enabled by ICN data networks. The first case targets mobile edge computing for a connected car use case, whereas the second case targets seamless mobility support for ICN sessions. We present these discussions in consideration with the procedures proposed by 3GPP's 23.501 and 23.502 technical specifications.

연구 동기 및 목표

• 3GPP의 5G NextGen 코어(5GC) 아키텍처 내에서 ICN에 대한 네이티브 지원을 가능하게 하여 차세대 서비스를 지원하기 위해.
• ICN의 이름 기반 전달 및 네트워크 내 캐싱을 활용하여 5GC에서 IP 기반 이동성 및 엣지 컴퓨팅의 한계를 해결하기 위해.
• 연결 차량 및 원활한 이동성과 같은 실제 5G 사용 사례에서 ICN의 아키텍처적 및 성능적 이점을 입증하기 위해.
• 5GC 프레임워크 내에서 ICN PDU 세션을 위한 규범적 인터페이스 확장 및 신호 절차를 정의하기 위해.

제안 방법

• ICN-SMF, ICN-AP, UL-CL 등의 새로운 기능을 추가하여 5GC 제어 및 사용자 평면을 확장하여 ICN PDU 세션을 관리한다.
• ICN의 이름 기반 아키텍처를 통해 애플리케이션 식별자와 위치를 분리하여 서비스 인스턴스를 물리적 위치에서 분리한다.
• ICN 이동성 상태 및 ICN-AP와 UL-CL 간 터널 업데이트를 활용하여 RAN 간 핸드오버를 위한 신호 절차를 제안한다.
• 제어 평면 절차의 기초로 3GPP TS 23.501 및 23.502를 사용하며, ICN 세션 이동성을 기존 5GC 이동성 관리 프레임워크에 매핑한다.
• 내장된 보안 기능과 네트워크 내 캐싱을 갖춘 이름 기반 데이터 객체를 도입하여 애플리케이션 계층 오버레이 없이 콘텐츠 중심 서비스를 가능하게 한다.
• ICN 아키텍처를 두 가지 핵심 5GC 서비스인 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC)과 원활한 세션 이동성에 적용하며, 연결 차량 시나리오와 ICN 세션 핸드오버를 사용 사례로 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IP 기반 오버레이에 의존하지 않고 ICN을 3GPP 5GC 아키텍처에 원천적으로 통합하여 신규 서비스를 지원할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 5GC 내에서 ICN을 위한 PDU 세션을 가능하게 하기 위해 필요한 제어 및 사용자 평면 확장은 무엇인가?
• RQ3 연결 차량 시나리오에서 전통적인 IP 기반 MEC에 비해 ICN은 모바일 엣지 컴퓨팅 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 5GC에서 IP 앵커 기반 세션 관리에 비해 ICN은 신호 처리 오버헤드를 줄이고 이동성 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 ICN의 이름 기반 전달 및 네트워크 내 캐싱은 5GC 네트워크 슬라이싱 및 서비스 기능 배치에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ICN은 세션 핸드오버 중 애플리케이션 계층 재구성의 필요성을 제거하여 모바일 엣지 컴퓨팅에서 서비스 인스턴스 해석을 빠르게 하여, URLLC 및 AR/VR 애플리케이션의 지연을 감소시킨다.
• ICN의 네트워크 내 캐싱 및 위치에 의존하지 않는 콘텐츠 복제로 백홀 부하가 감소하고, 특히 고속 이동 환경에서 콘텐츠 공유 애플리케이션의 QoE가 향상된다.
• ICN 기반 세션 이동성은 중앙 집중식 IP 앵커 지점이 필요 없게 하여, RAN과 UL-CL이 공재될 경우 터널 상태 관리를 국지화함으로써 제어 및 사용자 평면의 신호 처리 오버헤드를 줄인다.
• 제안된 핸드오버 절차는 사용자 단말기(UE)가 새로운 RAN으로 이동하기 전에 사전에 ICN 게이트웨이 전달 상태(예: 새로운 전달 레이블을 통해)를 업데이트하여 신호 처리 지연과 복잡성을 감소시킨다.
• ICN-AP와 RAN, UL-CL 간의 공재 구조는 터널 상태 업데이트를 국지화하여 추가로 신호 처리 오버헤드를 최소화하고, 확장성과 효율성을 향상시킨다.
• ICN-SMF는 최적의 ICN-AP 및 UL-CL 경로를 동적으로 선택하여 효율적인 로드 밸런싱과 이동 이벤트 발생 시 신속한 복구를 가능하게 한다.