User-centric ultra-dense networks for 5G: challenges, methodologies, and directions 论文阅读笔记

5G网络中,以用户为中心的超密集组网:挑战,方法的与方向

本博客为论文介绍,博主并非论文作者,方便起见部分语言以第一人称说明。
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Abstract

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:

  1. 提出动态AP分组作为UUDN的核心功能,通过动态AP分组,用户可以在移动后享受到满意和安全的服务。
  2. 提供了移动性管理(mobility management)、资源管理(resource management)、干扰管理(interference management)及安全事项。
  3. 为提升系统的吞吐量,资源利用率,用户体验,能源效率,以上功能必须协同设计且联合优化。
  4. 讨论了UUDN的未来工作。

Introduction

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:

  • 通过更好的调制和信道编码,提高空气介质的频谱效率(bits per second per Hertz)
  • 增加更多的频谱带宽
  • 通过减小cell size提高频谱复用

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)
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  • 超密集接入点(APs)提供了大量的移动接入机会
  • 多种(APs),提供灵活的网络连接选择
  • 具有不同覆盖范围与多种无线接入技术的异构网络

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

CONCEPT AND CHALLENGES OF UUDN

WHAT IS UUDN

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].

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UDN VS Traditional Celluar Network 主要区别

1、APs/BSs的密度:

  • thousands in 1 k m 2 1km^2 1km2 for UDN
  • 3-5 in 1 k m 2 1km^2 1km2 for Traditional

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

  • small cell stations
  • relay stations (中继站)
  • distributed remote radio heads (RRHs)
  • even user equipment (UE)

Traditional
macro BS

其他区别:

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。

UUDN

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。

具体的主要特点

  • 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。

CHALLENGES OF UUDN

Challenges of Network Architecture

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]
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[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:

  • 传统网络的许多共功能如service control和mobility control集中在CN(core network)。这对拥有high throughput和very dense APs的UDN网络来说效率较低。因为:

This will lead to signaling overhead and longer data transmission latency between AP and CN.

  • 用户层与控制层在高密度AP网络接口上的紧耦合会导致网络异构化困难。
  • 基于HeNB的传统蜂窝式架构难以支持UUDN下的APG,预先接入管理和资源管理。上层程序中,无线电资源管理和移动管理功能可能不容易单独分布在每个AP上。
  • L-GW上的数据传输功能不足以支撑user-centric services。L-GW上需要有更多的功能。

具体来看,UUDN的网络架构应该有如下的功能:

  1. 支持超高密度AP部署与灵活网络
  2. 在新的架构中,应该有一个localized service center来检测用户的radio environment,提供更好的协作处理与用户服务质量控制。
  3. 需要一个靠近用户的移动锚(mobility anchor)来提供动态AP分组。

Challenges of Mobility Management

由于如下的挑战,传统蜂窝系统的mobility management无法被用于UUDN:

  • 位置区域在传统网络中是静态配置的,与用户无关,UUDN下的区域边界不再如celluar network下的那么清晰,因此location management mode将从静态AP planning转为动态AP cooperation
  • 由于不规律的覆盖和复杂的AP邻域关系,切换控制(Handover control)变得困难。因此,UUDN的handover control需要重新设计。
  • UUDN将遵循用户的行为(如移动和按需服务),在更复杂的无线环境中提供以用户为中心的服务。因此,移动管理应与资源管理、干扰协调共同优化。

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

Challenges of Resource Management

The consideration of resource allocation should be based on users and corresponding APGs, instead of on cells or APs。

  • 资源分配应该根据APG的成员进行调整,不影响正在进行和新产生的流量。
  • 从网络段来看,可用资源可能无法满足用户的需求,在这种情况下,系统的吞吐量可以通过多路复用来提高。
  • 由于为用户提供服务的不是单个AP,而是APG。如何分配资源,平衡AP间的负载是满足用户需求的重要问题,特别是在高速的移动的情况下。
  • APGs内部和用户之间的合作(例如中继和多点传输),可能提供另一个机会来改善系统性能和资源利用。

The resource allocation needs to follow the APG change, cooperation, and load balance requirements flexibly.

Challenges of Interference Management (干扰管理)

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。

  • ultra-dense enviroment导致了更多的干扰源,例如在地铁内,信号可能有更多的反射和散射路径,干扰模型也因此变得更加复杂。
  • 减少干扰与增加资源利用相互矛盾,需要寻找恰当的均衡
  • 传统的干扰衡量参数如干扰系数(interference temerature)和干扰阈值(interference threshold),可能不足以说明网络的整体干扰量和性能控制。需要确定更适合的参数来描述干扰管理和吞吐量间的关系,与能源效率和其他系统及参数的关系。

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。

ARCHITECTURE AND METHODOLOGY OF UUDN

DE-CELLULAR ARCHITECTURE AND FUNCTIONAL ENTITIES OF UUDN

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
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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)

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功能作用:

  • AP:包括数据层和控制层的用于UE的无线电接入信道。可以基于回程容量,使用RF,PHY,媒体访问控制(MAC)和IP层功能或它们的组合来构建UUDN AP。
  • LSC:用于组织APG为单一用户服务的控制服务中心。
  • LDC: 提供user plane,它将提供用户面功能,包括更高层次的处理和动态AP通道处理。
  • NSC: 提供用户协议控制功能,authentication, authorization, and accounting (授权,认证和计费:AAA) 高级别移动性(漫游 跨NSC切换)
  • NDC: 作为数据网关用于传输

DYNAMIC APs GROUPING METHOD CORE FUNCTION OF UUDN

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。

DAPGing的 main processse:
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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。

UUDN的移动性管理

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:
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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

JoInt OPTIMIZAtIon of resource MANAGEMENT And Interference control

资源管理与干扰管理的共同优化

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:

  • APG的资源分配,以及UUDN架构下的APG内部的资源分配。
  • APG,用户和AP之间的合作。团体内部的合作也非常重要
  • 快速的APG刷新,并在用户移动跟踪期间相应地重新分配资源。
  • APG之间,APG内部以及用户之间的负载平衡。

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。

安全性

与专业关系不大,不做重点介绍。

结论与未来工作

  • 对于用户,网络和服务,移动性行为在时间空间和社会维度上提供了基本特征和规则。在UUDN中,移动性行为是优化系统整体性能时应考虑的重要因素。
  • 对于非常高密度的部署方案,很难将每个AP与理想的有线回程连接。灵活的回程以支持理想/非理想的有线/无线回程,对于确保UUDN的部署非常重要。
  • 异构和协作网络是另一个需要进一步研究的问题。用复杂的多层方案,多RAT(多制式)和不规则覆盖来支持UUDN是一个巨大的挑战。
  • 在UUDN场景中,毫米波频段的使用是一种有希望的方法,可提供非常高的数据速率和非常宽的带宽。由于很高的频段,将引入许多新功能,例如波束成形,覆盖增强,高低频段网络的集成等等。这也会相应对移动性管理,干扰管理,无线资源管理等产生影响
  • 用户隐私的影响。

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