[论文解读] An end-to-end network slicing framework for 5G wireless communication systems

Qian Li, Geng Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2016

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 1被引用 60

一句话总结

本文提出了一种面向5G无线系统的端到端网络切片框架，该框架整合了面向行业特定服务的垂直切片和面向无线接入、核心网及计算平台间资源优化的水平切片。通过实现动态、面向服务的网络切片并采用统一的控制与编排机制，该框架在多样化垂直应用中提升了系统容量、设备能力及用户体验。

ABSTRACT

Wireless industry nowadays is facing two major challenges: 1) how to support the vertical industry applications so that to expand the wireless industry market and 2) how to further enhance device capability and user experience. In this paper, we propose a technology framework to address these challenges. The proposed technology framework is based on end-to-end vertical and horizontal slicing, where vertical slicing enables vertical industry and services and horizontal slicing improves system capacity and user experience. The technology development on vertical slicing has already started in late 4G and early 5G and is mostly focused on slicing the core network. We envision this trend to continue with the development of vertical slicing in the radio access network and the air interface. Moving beyond vertical slicing, we propose to horizontally slice the computation and communication resources to form virtual computation platforms for solving the network capacity scaling problem and enhancing device capability and user experience. In this paper, we explain the concept of vertical and horizontal slicing and illustrate the slicing techniques in the air interface, the radio access network, the core network and the computation platform. This paper aims to initiate the discussion on the long-range technology roadmap and spur development on the solutions for E2E network slicing in 5G and beyond.

研究动机与目标

• 为应对5G无线网络中日益增长的多样化垂直行业应用需求。
• 通过可扩展的网络资源管理，克服设备能力与用户体验方面的局限性。
• 提出一种统一的框架，实现无线接入、核心网及计算平台的端到端网络切片。
• 通过通信与计算资源的水平切片，提升系统容量与服务性能。
• 启动关于5G及未来系统端到端网络切片的长期技术路线图讨论。

提出的方法

• 提出双切片模型：垂直切片用于实现面向服务的网络隔离，水平切片用于通信与计算领域资源的池化。
• 引入空中接口、无线接入网（RAN）、核心网及虚拟化计算平台之间的端到端编排。
• 采用网络功能虚拟化（NFV）与软件定义网络（SDN）原则，实现动态切片实例化与管理。
• 在无线接入层定义切片粒度，包括物理层资源分配与波束成形自适应。
• 通过计算资源的水平切片引入虚拟计算平台，支持CPU、内存与存储资源的动态分配，以满足低时延、高吞吐量服务需求。
• 采用分层控制架构管理切片生命周期，涵盖跨网络域的配置、监控与扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计端到端网络切片架构，以支持5G中多样化垂直行业服务？
• RQ2 通信与计算资源水平切片的关键技术使能因素是什么？
• RQ3 如何联合编排垂直与水平切片以提升系统容量与用户体验？
• RQ4 5G及未来网络端到端切片的架构与协议级需求是什么？
• RQ5 网络切片如何从核心网扩展至无线接入与空中接口层？

主要发现

• 所提出的框架通过在所有网络层级整合垂直与水平切片，实现了端到端网络切片。
• 计算资源的水平切片支持对虚拟化CPU、内存与存储的动态分配，以满足多样化服务需求。
• 该框架通过统一的编排与控制，支持面向特定服务的网络切片并保障QoS。
• 在空中接口与RAN中集成切片，实现了针对应用需求的细粒度资源分配。
• 该架构具备可扩展性，支持向6G及更未来网络演进，具备增强的虚拟化与自动化能力。
• 本文建立了端到端网络切片的基石性路线图，明确了关键研究与部署挑战。