[论文解读] A Centralized SDN Architecture for the 5G Cellular Network

Akshatha M. Nayak, Pranav Jha+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2018

Software-Defined Networks and 5G参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出一种用于5G移动网络的集中式SDN架构，通过将gNB中的RRC和RRM控制功能迁移至核心网，使gNB转变为纯用户面节点。该方案降低了信令开销，将注册和切换时延减少高达29%，并通过基于负载感知的集中式移动性管理提升了系统吞吐量。

ABSTRACT

In order to meet the increasing demands of high data rate and low latency cellular broadband applications, plans are underway to roll out the Fifth Generation (5G) cellular wireless system by the year 2020. This paper proposes a novel method for adapting the Third Generation Partnership Project (3GPP)'s 5G architecture to the principles of Software Defined Networking (SDN). We propose to have centralized network functions in the 5G network core to control the network, end-to-end. This is achieved by relocating the control functionality present in the 5G Radio Access Network (RAN) to the network core, resulting in the conversion of the base station known as the gNB into a pure data plane node. This brings about a significant reduction in signaling costs between the RAN and the core network. It also results in improved system performance. The merits of our proposal have been illustrated by evaluating the Key Performance Indicators (KPIs) of the 5G network, such as network attach (registration) time and handover time. We have also demonstrated improvements in attach time and system throughput due to the use of centralized algorithms for mobility management with the help of ns-3 simulations.

研究动机与目标

• 应对由于数据需求增长和多样化设备需求带来的5G网络复杂性与信令开销增加的问题。
• 通过在核心网中集中化RRC和RRM功能，减少5G网络的控制面信令与时延。
• 通过集中式、全网范围的网络状态可视性，提升移动性管理决策的系统性能。
• 通过ns-3仿真与KPI分析，验证SDN原则在5G RAN中的可行性和优势。
• 将所提出的架构与3GPP定义的5G架构进行对比，量化其在时延与吞吐量方面的改进。

提出的方法

• 将RRC协议层和无线资源管理（RRM）功能从gNB迁移至核心网，使gNB转变为纯用户面节点。
• 通过从gNB中移除RRC，消除NG-AP信令接口，降低处理及编码/解码开销。
• 在核心网中实现集中式控制功能（eAMF），获得包括负载与信号强度在内的全局网络状态视图。
• 采用集中式算法进行移动性管理，结合RSRP与eNB负载信息，实现最优切换决策。
• 使用ns-3 LENA模块对所提架构与3GPP架构进行仿真，采用真实参数，包括路径损耗模型与用户移动性模型。
• 在不同负载与移动性条件下，测量关键性能指标，如附着时延、注册时延、切换时延与系统吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5G核心网中集中化RRC与RRM功能，对信令开销与控制面时延有何影响？
• RQ2 在动态网络中，集中式移动性管理相较于分布式算法，在提升系统吞吐量方面能达到何种程度？
• RQ3 将RRC从gNB迁移至核心网后，注册与切换时延的减少幅度是多少？
• RQ4 与3GPP定义的5G架构相比，所提架构在信令成本与处理效率方面有何差异？
• RQ5 在高移动性与负载波动场景下，基于SDN的集中式控制能否提升网络性能？

主要发现

• 与3GPP 5G架构相比，所提架构中注册时延减少12%至28%，从74–84 ms降低至60 ms。
• 由于消除了RRC信令并提升了核心网中的决策速度，切换时延减少29.29%，从78.5 ms降至55.5 ms。
• 仿真中附着时延减少10%，从3.23 ms降至2.94 ms，主要由于处理与编码/解码开销降低。
• 采用集中式负载感知切换算法时，系统吞吐量随切换次数增加而单调提升，优于传统基于A3的分布式RSRP算法。
• 集中式架构通过实现更精确与协调的决策，减少了信令失败场景（如切换失败）的发生。
• 即使考虑空中接口与仿真抽象的影响，性能增益依然稳健，相对改进幅度保持一致。