[论文解读] Network Slicing Based 5G and Future Mobile Networks: Mobility, Resource Management, and Challenges

H. Zhang, Ningjun Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 12被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种5G网络切片的逻辑架构，通过在异构两层网络中采用联合功率与子信道分配方案，实现了在eMBB、uRLLC和IoT切片之间动态、QoS感知的资源分配。仿真结果表明，该方案能有效管理同层与跨层干扰，提升系统容量，并实现多样化业务需求下的灵活高效资源共享。

ABSTRACT

The fifth-generation (5G) networks are expected to be able to satisfy users' different quality-of-service (QoS) requirements. Network slicing is a promising technology for 5G networks to provide services tailored for users' specific QoS demands. Driven by the increased massive wireless data traffic from different application scenarios, efficient resource allocation schemes should be exploited to improve the flexibility of network resource allocation and capacity of 5G networks based on network slicing. Due to the diversity of 5G application scenarios, new mobility management schemes are greatly needed to guarantee seamless handover in network slicing based 5G systems. In this article, we introduce a logical architecture for network slicing based 5G systems, and present a scheme for managing mobility between different access networks, as well as a joint power and subchannel allocation scheme in spectrum-sharing two-tier systems based on network slicing, where both the co-tier interference and cross-tier interference are taken into account. Simulation results demonstrate that the proposed resource allocation scheme can flexibly allocate network resources between different slices in 5G systems. Finally, several open issues and challenges in network slicing based 5G networks are discussed, including network reconstruction, network slicing management and cooperation with other 5G technologies.

研究动机与目标

• 解决在高移动性、高密度及大规模物联网场景下，5G网络中支持多样化、定制化QoS需求的挑战。
• 设计一种移动性管理方案，实现在基于网络切片的5G系统中不同接入网络之间的无缝切换。
• 开发一种联合功率与子信道分配机制，以在考虑同层与跨层干扰的前提下，优化资源利用率。
• 研究在密集异构网络中存在多个业务切片时，网络切片的可行性与性能表现。
• 识别并讨论网络重构、切片管理以及与SDN、NFV和C-RAN等其他5G技术集成方面的开放性挑战。

提出的方法

• 基于SDN和NFV原则，提出一种面向5G系统中网络切片的逻辑架构，以实现端到端虚拟化与动态资源供给。
• 引入一种改进的切换流程，用于跨不同接入网络的移动性管理，支持切片环境中移动用户的无缝连接。
• 在两层网络（宏小区与小细胞）中设计联合功率与子信道分配方案，以在满足QoS约束的前提下最大化系统容量。
• 在资源分配框架中对同层干扰（小细胞之间及宏小区之间）和跨层干扰（小细胞与宏小区之间）进行建模与考虑。
• 采用基于仿真的评估方法，分析在不同小细胞数量和不同切片类型下的系统性能。
• 采用集中式控制平面与分层控制器，以管理无线接入网、核心网和接入层之间的资源分配与切片操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计网络切片架构，以支持eMBB、uRLLC和IoT等不同5G服务需求及其独特的QoS要求？
• RQ2 在基于网络切片的环境中，需要何种移动性管理机制，以确保在不同接入网络之间实现无缝切换？
• RQ3 如何优化联合功率与子信道分配，以在两层5G网络中最大化系统容量，同时有效管理同层与跨层干扰？
• RQ4 在密集异构网络中大规模部署与管理网络切片时，面临的主要挑战是什么？
• RQ5 如何有效集成网络切片与其他5G技术（如SDN、NFV和C-RAN），以实现端到端的服务定制？

主要发现

• 所提出的联合功率与子信道分配方案通过有效管理同层与跨层干扰，在密集异构网络中显著提升了系统容量。
• eMBB切片的容量明显高于uRLLC切片，后者由于其低时延、低数据量的特性，容量约为前者的1/20。
• 随着小细胞数量的增加，IoT切片的总容量下降，主要由于eMBB和uRLLC切片带来的跨层干扰持续增加。
• 小细胞之间的同层干扰随用户密度增加而加剧，导致发射功率上升，进一步恶化了跨层干扰，对IoT切片容量造成负面影响。
• 仿真结果证实，所提出的资源分配机制能够实现不同切片间灵活高效的网络资源分配，从而提升整体系统性能。
• 该方案在时延敏感型（uRLLC）和时延容忍型（eMBB、IoT）场景中均表现出稳健性能，验证了其对多样化QoS需求的适应能力。