[论文解读] SOARAN: A Service-oriented Architecture for Radio Access Network Sharing in Evolving Mobile Networks

Jun He, Wei Song|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2015

Software-Defined Networks and 5G参考文献 8被引用 5

一句话总结

SOARAN 提出了一种面向服务的无线接入网（RAN）共享架构，用于演进型移动网络，将应用层服务质量体验（QoE）需求与物理无线资源解耦。通过集中式控制器优化应用层资源分配，并实现分布式流级调度，SOARAN 相较于运营商导向的预留方案，实现了高达 200% 的更高效用和更优的 QoE 满意度。

ABSTRACT

Mobile networks are undergoing fast evolution to software-defined networking (SDN) infrastructure in order to accommodate the ever-growing mobile traffic and overcome the network management nightmares caused by unremitting acceleration in technology innovations and evolution of the service market.Enabled by virtualized network functionalities, evolving carrier wireless networks tend to share radio access network (RAN) among multiple (virtual) network operators so as to increase network capacity and reduce expenses.However, existing RAN sharing models are operator-oriented, which expose extensive resource details, e.g. infrastructure and spectrum,to participating network operators for resource-sharing purposes. These old-fashioned models violate the design principles of SDN abstraction and are infeasible to manage the thriving traffic of on-demand customized services. This paper presents SOARAN, a service-oriented framework for RAN sharing in mobile networks evolving from LTE/LTE advanced to software-defined carrier wireless networks(SD-CWNs), which decouples network operators from radio resource by providing application-level differentiated services. SOARAN defines a serial of abstract applications with distinct Quality of Experience (QoE) requirements. The central controller periodically computes application-level resource allocation for each radio element with respect to runtime traffic demands and channel conditions, and disseminate these allocation decisions as service-oriented policies to respect element. The radio elements then independently determine flow-level resource allocation within each application to accomplish these policies. We formulate the application-level resource allocation as an optimization problem and develop a fast algorithm to solve it with a provably approximate guarantee.

研究动机与目标

• 解决运营商导向的 RAN 共享模型所暴露的低层基础设施细节问题，以及在演进型移动网络中带来的可扩展性限制。
• 将网络运营商和虚拟网络运营商与物理无线资源解耦，以契合软件定义网络（SDN）原则并简化管理。
• 通过在应用层抽象资源分配，为多样化应用提供差异化的服务质量体验（QoE）保障。
• 开发一种可扩展、高效的资源分配框架，以支持软件定义运营商无线网络（SD-CWNs）中的按需定制化服务。

提出的方法

• 引入一种面向服务的抽象层，通过定义具有不同 QoE 需求的应用，将其与底层无线资源细节解耦。
• 将应用层资源分配建模为优化问题，以在动态流量和信道条件下最大化效用。
• 设计一种具有可证明近似保证的快速算法，以高效求解集中式资源分配问题。
• 将高层级服务策略从中心控制器分发至无线单元，后者基于本地信道条件执行分布式、实时的流级调度。
• 使用效用函数（线性和对数函数）来建模应用偏好及资源分配的公平性。
• 通过模拟实现并评估该框架，采用多种应用的现实流量负载和带宽需求，覆盖多个应用和无线单元。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何重构 RAN 共享机制，以在演进型移动网络中支持面向服务的、具备 QoE 保障的多样化应用接入？
• RQ2 将应用层服务需求与物理无线资源管理解耦，在多大程度上能提升系统性能和可扩展性？
• RQ3 与传统的运营商或实体导向的资源预留方案相比，面向服务的 RAN 共享模型在性能上有多大提升？
• RQ4 SOARAN 如何在最小化控制平面开销的前提下，维持公平性并适应动态流量需求？

主要发现

• 在采用线性效用函数时，SOARAN 的聚合效用最高可达每基站预留（Per-Bs-Rsv）方案的 200%，并比网络预留（Net-Rsv）方案高出 40%。
• 在对数效用函数下，SOARAN 保持了良好的公平性，并在高负载条件下显著优于实体导向方案。
• SOARAN 能够有效根据流量需求增长调整资源分配，尤其在数据密集型应用中表现优异，避免了 Net-Rsv 和 Per-Bs-Rsv 中常见的资源利用率低下问题。
• 即使在高负载条件下，SOARAN 中获得 QoE 满足的流数量仍保持较高水平，而 Net-Rsv 和 Per-Bs-Rsv 即在最轻负载下也无法支持所有流。
• 具有可证明近似保证的集中式优化，实现了高效、可扩展的资源分配，且无需对每一流进行深度包检测。
• SOARAN 完全符合 SDN 原则，支持软件定义运营商无线网络（SD-CWNs）的抽象与虚拟化目标。