[論文レビュー] Virtualization of 5G Cellular Networks as a Hierarchical Combinatorial Auction

Kun Zhu, Ekram Hossain|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2015

Auction Theory and Applications参考文献 29被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、5G無線通信ネットワーク仮想化を対象とした階層的組み合わせオークションメカニズムを提案し、インfraストラクチャープロバイダー（InP）とモバイル仮想ネットワークオペレーター（MVNO）の間で、効率的かつインcentive-compatibleなリソース割り当てを実現する。リソース割り当てを二段階のオークションとしてモデル化する（InPが物理的リソースをMVNOに割り当て、MVNOが仮想化リソースをユーザーに割り当てる）ことで、真実の入札とVCGに類似した価格設定により、社会的効率性、厳密なスライス間隔離、スライス内カスタマイズ性を確保する。計算的に取り扱いやすいウィナーデターミネーションアルゴリズムと、有効性の数値的検証を備える。

ABSTRACT

Virtualization has been seen as one of the main evolution trends in the forthcoming fifth generation (5G) cellular networks which enables the decoupling of infrastructure from the services it provides. In this case, the roles of infrastructure providers (InPs) and mobile virtual network operators (MVNOs) can be logically separated and the resources (e.g., subchannels, power, and antennas) of a base station owned by an InP can be transparently shared by multiple MVNOs, while each MVNO virtually owns the entire BS. Naturally, the issue of resource allocation arises. In particular, the InP is required to abstract the physical resources into isolated slices for each MVNO who then allocates the resources within the slice to its subscribed users. In this paper, we aim to address this two-level hierarchical resource allocation problem while satisfying the requirements of efficient resource allocation, strict inter-slice isolation, and the ability of intra-slice customization. To this end, we design a hierarchical combinatorial auction mechanism, based on which a truthful and sub-efficient resource allocation framework is provided. Specifically, winner determination problems (WDPs) are formulated for the InP and MVNOs, and computationally tractable algorithms are proposed to solve these WDPs. Also, pricing schemes are designed to ensure incentive compatibility. The designed mechanism can achieve social efficiency in each level even if each party involved acts selfishly. Numerical results show the effectiveness of the proposed scheme.

研究の動機と目的

• 5Gネットワーク仮想化における二段階リソース割り当て課題に対処すること。具体的には、InPが物理的リソースをMVNOに割り当て、MVNOがユーザー単位でのリソース割り当てを管理すること。
• リソース利用効率を高める一方で、厳密なスライス間隔離とスライス内カスタマイズ能力を維持すること。
• すべてのエージェントが利己的である場合でも社会的効率性を達成するメカニズムを設計すること。インcentive-compatible（インcentive適合性）を保証すること。
• 多次元的で組み合わせ的なオークションフレームワークにおいて、InPおよびMVNOの両レベルにおける計算的に取り扱いやすいウィナーデターミネーション問題（WDP）の解決策を開発すること。
• マス・MIMOやC-RANなどの先進的な5G技術を仮想化およびオークションフレームワークに統合すること。

提案手法

• 5Gネットワーク仮想化問題を、二段階のオークションとしてモデル化する。InPが物理的リソースをMVNOにオークションし、MVNOが仮想化リソースをユーザーにオークションする。
• 両レベルでインcentive-compatible（インcentive適合性）かつ真実の入札を保証するため、予約価格を含むVCGに類似した価格設定を適用する。
• 複数の売り手と複数の買い手を対象としたウィナーデターミネーション問題を解く低複雑性のヒューリスティックアルゴリズム（O(n²)）を設計し、グリーディ法とローカルエクスチェンジ技術を拡張する。
• 二段階の解決手法を導入する。最初の段階では、ユーザーとMVNOの再インデックス化によるグリーディな初期妥当割り当てを実施し、二番目の段階ではローカルエクスチェンジによる反復的改善を実施する。
• 入札対リソース比に基づき、ユーザーおよびMVNOの優先順位を決定するため、容量制約（ck）と電力制約（pk）の重み付き和（ωc·ck + ωp·pk）を用いる。
• 再配置と改善のループを採用し、初期解を改善するために、ユーザーをより適切なMVNOに再割り当てする。この際、容量および電力制約を尊重する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 利己的エージェントが両レベルに存在する5Gネットワーク仮想化において、社会的効率性を達成する階層的オークションメカニズムをどのように設計できるか？
• RQ2 二段階の組み合わせオークションにおける5Gリソース割り当てにおいて、インcentive-compatible（インcentive適合性）かつ真実の入札を保証する価格設定スキームは何か？
• RQ3 多次元的リソース制約下で、InPおよびMVNOの両レベルにおけるウィナーデターミネーション問題（WDP）をどのように効率的に解けるか？
• RQ4 スライス間隔離とスライス内カスタマイズが、オークションメカニズムの設計およびリソース割り当て性能に与える影響は何か？
• RQ5 本稿で提案するメカニズムは、従来の単一段階または単一次元オークションモデルと比較して、効率性、スケーラビリティ、公平性の観点でどのように優れているか？

主な発見

• 提案された階層的組み合わせオークションは、VCGに類似した価格設定による真実の入札インcentive（インcentive）のおかげで、エージェントが利己的であってもInPおよびMVNOの両レベルで社会的効率性を達成する。
• ヒューリスティックなウィナーデターミネーションアルゴリズムはO(n²)の計算複雑性を達成し、大規模な5Gネットワーク仮想化シナリオにおいても取り扱い可能な解を提供する。
• 数値的結果は、複数のMVNOおよびユーザーにおいてリソース利用効率の向上と高い社会的余剰を達成する本手法の有効性を示している。
• 本メカニズムは、複数次元のオークションアイテム（例：サブチャンネル、電力、アンテナ）をサポートでき、単一次元モデルに比べてより豊かで柔軟性のあるリソース割り当てを可能にする。
• マス・MIMOおよびC-RANの原則をオークションフレームワークに統合することで、スペクトル効率およびエネルギー効率が向上し、5Gネットワークの目標と整合する。
• 特に複雑なリソース依存関係を有する複数売り手・複数買い手環境において、本手法はスケーラビリティおよび公平性の観点で従来モデルを上回る性能を発揮する。