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在这篇文章中,我们基于network serving user (网络服务用户) 的主旨 和 the “de-cellular” method (去中心化方法) 定义了user-centric UDN (UUDN)。基于对挑战的分析和UUDN的需求,本文提出了突破 传统的网络控制用户思想 的一种新型架构。
其核心包括:
背景讨论:
1、移动网络与移动app(举例)大大改变了人们的生活。
2、移动网络服务的火热导致了流量数据激增。
(强调重要性)
3、未来的预测:
More and more devices will be connected by mobile systems, and many new services such as ultra-high definition video, 3D video, virtual reality, and augmented reality will be supported through smart mobile devices.
4、移动流量的快速增长,5G网络的引出,关键特征(需求)分析:
One of the key requirements is very high traffic density in crowded city and hotspot areas. In some typical scenarios, the area throughput requirement may reach as high as 20Tb/s/km2, which is equal to 20 Mb/s/m2
5、区域频谱效率成为评估未来移动系统对非常密集的通信需求[4]的关键指标之一,进而影响系统容量。
6、增加系统容量(system capcity)的三种方法:
7、根据[5]中的观察,无线网络容量从1957年至2008增加了一百万倍,其中,25倍来自更宽的频谱,25倍来自更先进的air interface设计,1600倍的巨量增长来自对cell size和transmit distance的减小。
结合中国与国际组织的政策与报道,ultra-dense networking (UDN) 已经被视作达到5G高吞吐量需求的重要技术趋势。(通过以上说明,引出UDN,并强调其重要性)
从UDN到UUDN:
自1970年Bell实验室提出蜂窝式网络架构以来,这一理念一直被移动网络沿用至今。
对于架构的演进方向,[10]指出5G及之后,macro-local共存与协调将取代1G至4G的宏蜂窝主导架构。
UDN for local
[5] V. Chandrasekhar et al., “Femtocell Networks: A Survey,”IEEE Commun. Mag., vol. 46, no. 9, Sept. 2008, pp. 59–67.
[10] S. Z. Chen and J. Zhao, “The Requirements, Challenges, and Technologies for 5G of Terrestrial Mobile Telecommunication,”IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 5, May 2014, pp. 36–43.
本文工作:
1、提出UUDN:用户中心的UDN,打破了network-centric的蜂窝架构。
2、提出了UUDN的挑战,介绍了UUDN实现的具体架构
3、引入了移动管理、资源管理、干扰管理,安全性的核心功能与方法
4、说明了结论与未来工作方向
UDN aims to provide very high data rate to each user at indoor and hotspot areas, including office, dense residential, stadium, and open-air-gathering environments, and so on [8].
1、APs/BSs的密度:
2、覆盖用户
UDN: limited users
Traditional:hundreds or even thousands of active users
3、APs类型
UDN:various types of APs
Traditional
macro BS
如异构的拓扑结构、不规则覆盖、灵活backhaul、宽频谱带、低移动性,超高数据速率与流量volume。
定义:UUDN is a wireless network in which the AP density is comparable to the user density.
特点:网络将会组织一个动态APG为user实现seamlessly(无缝)服务,且不需要用户的参与。
需求:网络应智能识别用户的无线通信环境,灵活组织所需的APG和资源为用户服务。
An Intelligent Network Knows the User
网络将更加智能化,能够自动检测终端的能力(terminal’s capability)、用户需求(user requirementes)和其无线电环境(radio enviroment),并为每个用户构建知识信息。
A Moving Network Follows the User
While a user is moving, its APG will be adjusted dynamically to support its movement, which is quite different from the traditional mobility management and handover process.
不同于传统网络,其追求的是用户在进行移动后,网络的稳定性与内容传输不受影响。个人的理解是,Intelligent Network可以根据用户的移动与环境的改变,智能地调整网络质量、甚至是APP的内容传输,能够预知用户的网络请求内容与特性。
A Dyanmic Network Servers the User
一个APG内的members会自适应的满足用户的服务请求,其可以协同地传输数据流强化频谱效率和用户体验。
A Secure Network Grants the User a Guarantee
通过AP的身份验证,网络可以保证当新的AP加入APG时的安全性,身份验证的结果可以在APG中的成员之间平滑地感知或继承。
3GPP在2004年12月启动了无线接入网长期演进研究项目(long term evolution,LTE),演进的接入技术(如evolved-UTRA,E-UTRA)和接入网络(如E-UTRAN),以及面向全IP的分组域核心网的演进项目(如systemarchitectureevolution,SAE),希望通过从无线接口到核心网络的持续演进和增强,保持自己在移动通信领域的技术先发优势,以保证在今后10年甚至更长的时间里,为运营商和用户不断增长的需求提供满意的支持。
LTE/SAE说明
在这一架构下,网络端主要如图1所示5各部分组成:
HeNB(home envolved Node B)
local gateway(L-GW)
mobility management entity (MME)
serving gateway(SGW)
packet data network Gateway(PDN GW)
function of above entities can be found in [12]
[12]3GPP TS 33.401, “3GPP System Architecture Evolution SAE); Security Architecture (Release 12) ,” Oct. 2014.
对于UUDN来说,AP density 和 area throughput远远大于4G的small cells。同时,UUDN需要对用户的无线电环境进行智能检测和动态服务。在一般的场景中,不同APs需要支持灵活的backhaul。
为此,UUDN的架构相较于传统网络有了如下的挑战:
This will lead to signaling overhead and longer data transmission latency between AP and CN.
具体来看,UUDN的网络架构应该有如下的功能:
由于如下的挑战,传统蜂窝系统的mobility management无法被用于UUDN:
因此,UUDN的移动管理可以提供一个无定形的、动态的、虚拟的位置区域,该区域由APG组成,跟踪用户的移动。因此,应该设计新的切换控制方法。
The consideration of resource allocation should be based on users and corresponding APGs, instead of on cells or APs。
The resource allocation needs to follow the APG change, cooperation, and load balance requirements flexibly.
随着资源多路复用以获得更多的访问机会,干扰也在UUDN中增加并变得更加复杂。
因此,需要建立 新的干扰模型(interference model) 来分析经典的无线传输场景。
重点:3 kinds of decoupling:
从无线电接入层面:用户层与控制层的解耦
网络领域:控制和传输的解耦
本地服务与网络的解耦
具体实现用到的4个功能:
在无线电接入端:引入 local service center (LSC)和local data center (LDC)来提供控制层面与用户层面的逻辑解耦
在网络端:引入network service center (NSC)和network data center (NDC)来提供控制与传输功能(解耦)
功能作用:
每位注册用户(registered user)都拥有独特的动态AOG及一个独特的APG-ID。APG内容将被存储进LSC,大多数的DAOGing processes将由LSC处理。其余的高级过程如认证与递交将有NSC管理。
需要注意的是,当用户离开UUDN时,为其服务的APG将会被删除。
DAOGing依赖于移动性管理,资源管理,干扰管理。同时,安全影响也需要被考虑。
区别于传统蜂窝网络,UUDN的移动性管理主要体现在以下3个场景:
除了通过移动管理保证用户的体验,UUDN当没有用户数据要传输时,终端进入空闲模式以节省电池。
两种方式:
1、终端向LSC发送终止信号,LSC指示APG中的APs寻呼终端,远离服务范围的AP自己关闭
2、终端定时向LSC发送位置信息,由LSC判断APs是否覆盖,并依次终止AP
在有效认识到用户的环境后,资源管理将共同考虑干扰控制以及其他重要因素,例如无线信道,网络可用资源,用户的移动性和流量特点。
Resource Management的相关方向主要包括:
UUDN下两种实现资源管理的方法:
1、当资源与功能支持足够时,资源可以得到充分分配。否则,需要引入APGs或users间的博弈模型。在这一条件下,网络端并不会加入资源分配过程,这要求算法必须充分分布化和自适应。另外,APs需要对空闲信道,干扰等级,邻居APs的状态等具有高度的环境感知能力。
优点:高效的本地资源管理和实时满足用户需求,然而缺点是过程复杂度较大,对AP的环境感知能力要求很高,
2、方法二需要网络侧加入并提供一定程度的控制。LSC中的本地控制单元在邻居区域中维护资源列表,例如可用资源池。 AP可以通过定期广播或专用请求来获取信息。一旦需要传输,APG将从池中选择适当的资源。 LSC保留的资源列表可能会相应更改。**如果资源分配中存在争用,则LSC具有仲裁权。**通过这种方法,资源管理可以通过避免资源争用和减少干扰来实现优化。缺点是在实际情况下很难确定资源列表的邻居区域。
3、结合干扰的优化,传统的干扰管理包括:干扰隐藏和干扰对齐,与同步进行交互,协作以及信令开销。
在本场景中,当干扰管理结合第一种方法,需要在谈判模式和环境感知中1中加入干扰评估.
结合第二种方法时,LSC中维护的资源列表需要加上干扰影响的条目,以及资源的占用情况,来为AP提供更多资源选择的细节。这需要本地资源情况的实时信息收集。
4、为了联合优化资源管理和干扰控制,在考虑实现时,设计中还应包括其他因素,例如传输效率,算法复杂度和信令开销。
与专业关系不大,不做重点介绍。