虚拟化ANR管理资源优化的邻居细胞名单在5 g移动无线网络

文摘

在未来,更多的设备如可穿戴设备将连接到网络。这将增加同时交接。细胞的报道将小因为超高频应用5 g无线网络不传播很远。这一趋势会增加细胞邻居列表的数量,它会加速细胞邻居列表的变化自细胞可以被环境改变的报道。与此同时,一定在5 g网络技术至关重要。因为未来网络环境不是类似于现在,一定的战略也应不同于当下。首先,由于实际的邻居细胞单独列表,每个单元格会经常变化和,有必要单独优化经常和。第二,由于每个单元中的细胞邻居列表没有改变同样,有必要ANR灵活运作。为了应对这些问题,我们建议使用网络功能虚拟化(ANR NFV)。评估提议的策略,我们测量的额外资源消耗和延迟交接时如果邻居细胞列表不优化问题同时进行交接。 These experiments are conducted using Amarisoft LTE-100 Platform.

1。介绍

在物联网时代,大众使用的设备,如可穿戴设备和无线传感器在移动(如车辆、个人移动性和观看)将连接到网络的便利。这将导致增加同步移交。因此,回归为不断的连接和QoS性能将变得更加重要。特别是,如果有紧急情况要从网络接收数据,回归性能至关重要。此外,在5 g时代,细胞的覆盖范围将变得更小,因为超高频将用于高吞吐量。超高频不能传播很远。因此,更多的细胞是覆盖同一区域(即所必需的。,大量小细胞)。这些特性的数量将会增加细胞邻居列表,它会加速细胞邻居列表,因为覆盖的变化可以改变的细胞环境,包括反射、衍射和阴影效果。此外,这些小的细胞也将增加同时交接,因为细胞之间的边界将会增加。此外,如今,细胞和小细胞通常用于移动数据流量冲和广播阴影区域(1),和宏单元和大量小细胞将在5 g网络共存。在这个复杂的网络设计、配置的邻居细胞变得更困难,尽管它非常重要的两个邻居细胞之间的交接。

与此同时,有必要询问假设细胞增加邻居列表将加速邻居细胞的变化列表。首先,实际细胞邻居列表,根据其他细胞信号的强度,并不是固定的。这意味着,一个强烈的信号从遥远的细胞可以收到服务单元,它传播足够远,因为无线电信号强度是受环境因素如温度和湿度(2- - - - - -5]。这种效应也由于阴影,快衰落,反射等等6,7]。例如,作者在6)模拟传播效果增加的标准差对数正态阴影宏单元。在这个仿真,小细胞只有一个邻居宏单元作为一个邻居细胞列表(即在该地区没有阴影。小细胞在一个宏单元),但四个邻居细胞被发现在一个小屋里,12 dB的阴影标准差。如果标准偏差会增加,细胞邻居列表的数量会增加。相反,如果标准差会减少,细胞邻居列表的数量将再次下降。在这个仿真,邻居细胞列表一个宏单元的数量从6到20不一,和邻居细胞的数目列表在小细胞是不同的从一个大约10根据阴影标准差。因此,如果有许多小细胞在一个宏单元,预计邻居细胞列表中细胞数量的增加,细胞的细胞邻居列表更频繁地改变。

由于大规模的小细胞5 g网络,自动邻居关系(ANR)技术,自动检测和配置的邻居细胞,将至关重要,成为更重要的是在5 g网络因为手动配置和优化细胞邻居列表的每个小细胞将变得更加昂贵和困难。ANR检测到一个新细胞的信息,包括身体细胞ID (PCI) E-UTRAN细胞全局标识符(ECGI)和IP地址操作,管理和维护(OAM)为了执行交接时,新细胞细胞不知道新的细胞和服务单元接收新细胞的强烈信号。这种回归方法叫做UE-Triggered ANR OAM支持(8]。在其他回归方法,ANR收到只有OAM的IP地址和其他信息从手机9]。基本上,ANR使增强NodeB (eNodeB)检测邻居细胞的基础上测量问题[10]。问题最终发送测量报告消息,包括PCI、eNodeB当问题得到一个陌生人信号比eNodeB服役,或定期转移这个消息11]。

最后,因为未来网络环境(即。,an increase of simultaneous handovers and a frequent change of neighbour cell lists) will not be the same as the present, the strategy of ANR should also be changed as we needed a new strategy of self-organizing networks in the past due to enterprise femtocells [12),讨论策略需要考虑如下。首先,它是必要的优化邻居细胞单独列出频繁,因为实际的邻居列表为每个单独细胞变化频繁,由于环境的变化和冗余的邻居细胞列表可以负担迅速完成交接。虽然传统ANR函数邻居去除函数(13),(即不考虑未来的条件。,frequent change of practical neighbour cell lists). Recently, ANR algorithm for this complex network environment is researched [14),但这只是不自量力的场景。应用细胞覆盖率的变化根据自然现象,必须经常检查信号和个人优化细胞邻居列表。第二,它需要ANR灵活运作,因为邻居细胞列表在某些细胞在其他细胞很少修改而经常修改。例如,当许多人聚集的节日,游戏,或国定假日,需要操作新的小细胞或移动一段时间。此外,如果建高楼,或如果它是雨天还是晴天细胞覆盖率是改变了,这也可以改变细胞邻居列表。自这一趋势继续下去,甚至加速,这些策略在未来将变得更加重要。

对于这些策略,我们建议使用网络功能虚拟化(NFV) [15为操作ANR]。ANR-virtual网络功能(ANR-VNF),进入网络的虚拟化,ANR功能,经常可以部署和扩展和灵活。例如,在流动人口的情况下,偏差很大,如在一个体育场,这是更有效和廉价的运动细胞比固定细胞用于数据卸载。另外,在阴影的情况下,波动标准偏差由于天气大,需要更多的资源优化的邻居细胞快速列表。在任何情况下,为了更快地配置和优化细胞邻居列表,有必要一定功能的扩展能力。

本文的其余部分组织如下。部分2提供背景自组织网络(儿子),ANR NFV等等。部分3提出实验对这些策略的必要性和预期的风险。部分4详细解释ANR-VNF等提出的方法。最后,部分5给出了结论。

2。背景和相关工作

2.1。自组织网络(儿子)

操作无线网络是一个具有挑战性的任务,特别是在蜂窝移动通信系统由于其潜在的复杂性。这种复杂性起源于网络元素的数量和连接之间的配置。在异构网络,很难处理各种技术和精确的操作范式。今天,规划和优化工具通常是半自动的,需要由操作员严格监督管理任务。本手册由操作员工作费时,昂贵,而且容易出错,需要高度的专业知识。儿子可以用来降低运营成本降低任务和保护收益减少人为错误。下面的小节细节儿子分类法。

2.1.1。自我配置

基站的配置(eNBs),中继站(RS),和家庭基站需要在部署过程中,网络终端的扩展和升级。配置时,还可能需要有一个系统的变化,如节点的故障或网络性能的下降。在未来系统中,传统的手动配置的过程需要替换为自我配置。可预测,未来蜂窝网络中的节点应该能够实现自配置的初始参数包括IP地址,邻居列表,和电台访问参数。

2.1.2。自我优化

在最初的自我配置阶段,它是重要的,不断优化系统参数,以确保有效的系统的性能,如果所有的优化目标是维护。遗留系统的优化可以通过周期性的驱动测试或分析从日志报告生成的网络操作中心。自我优化包括负载平衡、干扰控制范围扩展和优化能力。

2.1.3。自愈

无线蜂窝系统容易错误和失败,因为组件发生故障或自然灾害。在传统的系统中,故障主要集中运营管理(操作和维护)检测到的软件。事件记录和必要的警报出发了。无法远程清除警报时,无线电网络工程师通常是动员和发送到基站。这个过程可能要花上几天甚至几周时间在系统恢复正常操作。在未来的自组织细胞系统中,这个过程需要提高巩固自我修复的功能。自愈是一个过程,涉及远程检测、诊断和引发的补偿或恢复操作的冲断层的影响网络的设备。

2.2。自动的邻居关系(ANR) (7- - - - - -9]

细胞的覆盖范围是有限的,因为细胞无法发射无线电频率与无限的权力,所以有很多细胞覆盖一个广阔的区域内。如果一个移动电话的覆盖范围从一个细胞到另一个,它将连接到新的细胞和断开从旧的细胞。这个过程叫做交接。在LTE无线接入网络,eNodeB的细胞只有通过X2接口直接相互通信。在这X2接口,邻近eNodeBs相互通信和执行交接做准备。为了提供无缝流动在LTE,重要的是要建立X2接口没有遗漏,因为将没有邻国之间的交接eNodeBs除非X2接口设置和功能。

X2接口设置通过使用邻居细胞列出每个eNodeB的邻居关系表(NRT),所以X2接口和邻居之间的交接细胞如果eNodeB省略了邻居列表的NRT,这是由一个移动的细胞或新添加的小细胞。在这种情况下,自动邻居关系(ANR)功能可以检测新邻居细胞并将其列表添加到自动NRT。

2.3。网络功能虚拟化(15]

电信行业内的服务提供基于网络运营商历来为每个函数提供物理专有设备和设备。这些专用要求高质量、稳定性和严格的协议遵循了产品周期长,非常低的服务灵活性和严重依赖专门的硬件。

然而,更为多样化的用户需求和新(短暂)服务与高数据速率继续增加。因此,电信服务提供商(tsp)必须相应地不断购买,商店,和操作新的物理设备。所有这些因素导致高CAPEX和OPEX茶匙。此外,资本和运营成本的增加不能导致更高的订阅费,所以茶匙被迫寻找构建更具活力和支持服务网络的目标降低产品周期,操作,和资本支出和改善服务的敏捷性。

NFV [16,17)已被建议作为一种应对这些挑战,迫使虚拟化技术提供一种新的方式来设计、部署和管理网络服务。NFV的主要想法是解耦的物理网络设备运行的功能。NFV的目标是将网络运营商的方式设计网络演进的虚拟化技术来加强网络设备到标准的服务器,这可能是位于数据中心分布式网络节点和终端用户的前提。它涉及网络函数的实现在software-VNFs-that可以运行在一个或多个物理服务器行业标准和网络中可以移动到不同的地方要求不需要安装新设备。

获得更大的灵活性,NFV允许茶匙进一步开放他们的网络功能和服务用户和其他服务和部署或支持新的网络服务的能力更快、更便宜,实现更好的服务灵活性。为了实现这些好处,NFV铺平了道路的不同网络服务配置实现相比,当前的实践。

2.4。虚拟细胞基础设施

LTE网络的基本架构没有NFV显示问题连接到进化分组核心(EPC)在LTE访问网络(E-UTRAN) eNodeB的LTE无线基站。EPC是由服务网关(S-GW),分组数据网络(生产)、网关(P-GW),移动管理实体(MME),政策和收费规则函数(PCRF)。所有的这些功能都是基于专用设备。

在虚拟细胞基础设施如图1然而,条目的EPC网络虚拟化数据中心。eNodeB逻辑的一部分也可以为数据中心虚拟化,只剩下eNodeB的射频部分。这个eNodeB分工叫做C-RAN(云无线接入网络)。C-RAN特性集中处理、协作无线实时云计算,和权力高效基础设施(18]。C-RAN由BBU(基带单元),OTN(光传输网络),RRU(远程无线电设备)。BBUs实现基站功能而RRUs执行广播功能。此外,BBUs和RRUs适用于典型的跑,从宏单元到毫微微蜂窝。因此,这些BBUs可以集中,这使得网络更加高效和优化方面的成本、资源和能源通过编排管理系统(18,19]。

2.5。Amarisoft lte - 100平台

Amarisoft LTE - 100平台是一个基于软件的LTE站在个人电脑上运行。像虚拟细胞基础结构,Amarisoft LTE - 100平台提供LTE增强包核心(EPC)和基站(eNB)在每个电脑。EPC包括移动管理实体(MME)内置包网关(P-GW),服务网关(S-GW),和家庭用户服务器(HSS)。收音机界面软件LTE的解决方案是由Ettus研究USRP N210。实验中使用的天线配置是一个对于单变量(输出)计划。

PHY层符合LTE发布13和支持闭环功率控制和协议层也符合LTE发布13和实现了MAC, RLC, PDCP和RRC层。同时,它支持intra-eNodeB、S1或X2交接。网络接口,它支持标准S1AP和GTP-U接口核心网络和X2AP eNodeBs之间的接口。

像图2EPC是连接到互联网,eNodeBs连接到EPC,每个eNodeB有射频单元(USRP N210)。有必要为每个eNodeB注册EPC和被与X2 eNodeBs之间的接口。然后,每个其他eNodeBs eNodeB承认。然而,对于交接,每个eNodeB必须有其他eNodeBs邻居关系表的信息(NRT)。自然,是理想的实际的邻居eNodeBs的信息,但回归正确执行虽然NRT的信息冗余eNodeBs不实际的邻居eNodeBs。

3所示。一定的策略的实验

自从小细胞和宏单元混合过渡时期5 g网络和细胞覆盖率是受到周围环境的影响,细胞邻居列表不会固定在实践中,不会小的数量;邻居细胞的数量,列出每个eNodeB NRT的可以在物理上相邻细胞的数量增加或减少由于环境影响,如阴影和消退。此外,由于同时交接会增加由于物联网和大量的小细胞,预计回归性能将会更加重要,风险问题。因此,有必要优化NRT(即。,neighbour cell lists) because redundant neighbour cell lists could be burdensome to perform handover. In order to estimate the performance issues of ANR in 5G, we performed several experiments.

3.1。实验设计

在这些实验中,Amarisoft lte - 100平台(21],它有一个核心网络(EPC)和两个eNodeBs,使用,和每个组件(EPC, eNodeB)是安装在一个共同的计算机有英特尔(R) (TM)核心i7 - 4790 @ 3.60 GHz CPU和8 GB内存的电脑和Ubuntu 14.04操作系统。这意味着网络元素(如VNF能够共同的电脑上进行。这个平台是用于最近的研究(22,23]。图2展示了实验的整体网络配置。有两个eNodeBs和一个EPC,它支持交接。只有两个eNodeBs以来,每个eNodeB只有一个邻居的优化NRT细胞,和可行NRT邻居细胞。同时,两个eNodeBs交接阈值和不同的频率相同,所以两个eNodeBs interfrequency迁移之间的交接交接。一些设备包括一个星系S7, iPhone 6年代,iPhone 6 +, iPhone SE作为问题。

执行交接的问题是类似的距离两个单元和执行交接同时减少服务的力量与命令同时细胞。换句话说,问题不从细胞靶细胞;他们只是固定在同一位置与光视线(LOS)。其他能力适应不考虑。这力量问题有相同的交接条件(例如,服务的力量细胞小于邻居的细胞)。我们增加数量的问题,同时执行交接(如2、3和4问题),和所有这些交接试验执行超过10倍。在交接期间,测量CPU使用率,Linux“顶级”命令是用来测量在交接eNodeB程序的CPU使用率。这个“顶级”命令措施CPU使用率每秒可以计算运行的CPU使用率变动eNodeB程序。

评估交接延迟,所使用的日志信息。为此,交接过程是必要的。作者在24)解释了intra-MME / S-GW交接程序,意味着只有eNodeB(不是居里夫人和S-GW)改变执行交接时,和图3显示了这个intra-MME / S-GW具体交接过程。交接时间(延迟)从测量报告消息(2)问题上下文发布消息(14)。交接问题引发的,发送一个消息(2)测量报告提供细胞,交接完成,目标细胞发送问题上下文发布消息服务(14)细胞通过X2AP[通知成功交接25]。因此,交接时间可以测量估计从测量报告消息(2)问题的背景下发布消息(14)。测量准确交接延迟使用日志信息,三个电脑同步使用国家结核控制规划(网络时间协议)。

交接过程日志,我们测量每个问题的交接延迟,这意味着每个问题的交接时期当所有问题同时完成交接。我们也测量总交接延迟,这意味着从第一个问题开始时间的交接结束时间的最后一个问题的同时交接时所有问题完成交接。

3.2。实验结果

在表1在优化NRT的情况下(即。,1neighbour cell list), the average fluctuation of CPU usage is about 0.6% during handover, and this change is within the average fluctuation at idle. In the case of nonoptimized NRT (i.e., 11 neighbour cell lists), however, the average fluctuation of CPU usage is about 1.1%. It seems that about average 0.5% more of CPU usage is used due to the lookup of neighbour cell lists. In addition, the calculated means from two cases are significantly different at= 0.05,利用方差分析(方差分析)26),我们表示平均数标准误差(SEM)在所有表26]。尽管只有邻居细胞列表的数量增加,CPU使用率的波动是在交接也增加了。因此,有必要优化细胞邻居列表停止资源浪费。

与此同时,如果一个问题在移交接收数据包,下载的CPU使用率从服务细胞转移到靶细胞。图4显示了该运动的CPU使用率为细胞靶细胞当一个问题在下载执行交接。资源使用下载似乎是相当大的,所以适当的交接(不是乒乓球交接)是重要的资源管理以及QoS因为正确的交接可以分发总资源效率。

表2根据邻居的数量显示平均交接延迟细胞当一个问题列表进行交接。有两个eNodeBs这样的最优数量的邻居列表只是一个细胞。因此,在表221岁的邻居细胞名单意味着有一个额外的20细胞邻居列表不存在在实践中由于种种原因。平均交接延迟增加连同邻居细胞的数目列表。特别是,平均交接延迟增加极高当邻居细胞的数量列表是21。然而,不幸的是,三个延迟统计使用方差分析= 0.05。

表3表示平均每个问题的交接延迟2,3和4问题同时进行交接。虽然有轻微的差异,每个问题的回归平均延时的增加根据问题的增加和细胞邻居列表。特别是,对于2和3问题的情况下,延迟增加静态= 0.05时,邻居细胞的数量是21。然而,这些延迟不大大增加,5 - 10 ms。此外,似乎每个交接的平均延迟不显著相关的数量同时执行交接的问题。因此,有必要关注平均总在每种情况下(即交接延迟。、2、3和4问题)。为了帮助读者理解,图5描述了每个问题的总交接交接延迟和延迟三个问题同时进行交接。

表4表明平均总问题的交接延迟时,2、3、4问题同时进行交接。根据问题和邻居细胞列表的增加,平均总交接延迟的增加。在21细胞邻居列表,21岁的邻居细胞的平均总交接延迟列表增加静态= 0.05相比,11个邻居的情况下细胞列表。表5显示每个推迟到第二、第三或第四问题开始移交4问题时同时进行交接和邻居细胞的数目列表11日或21。当邻居细胞的数目列表是21,第四问题开始交接后(大约17%)比当邻居细胞的数目列表是11。这种延迟会导致平均总交接的增加延迟。这表明,随着细胞邻居列表和数量的问题,同时执行交接增加,平均总交接延迟增加梯状的方式。

如表所示5开始时间(延迟)每个问题都是不同的,尽管所有的交接问题试图同时进行交接。此外,这个开始时间是根据问题的增加和增加细胞邻居列表,因为系统资源是固定的,需要更多的资源。看来,如果有很多邻居细胞列表,交接的决定(3)时间图3因为邻居的查找时间细胞增加列表也会增加,如果同时执行交接的问题数量的增加,这个交接的决定(3)时间图3还会增加,因为更多的资源是必要的。

因此,似乎总交接的平均延迟时间将大大增加当邻居细胞的数目列表将会大,这些将不是在5 g网络优化和执行同时交接的问题的数量将显著增加由于物联网和大量的小细胞。因此,一些问题会有一个延迟交接。这将导致QoS的退化。

4所示。提出了用NFV ANR模型

正如我们提到的,这将是重要优化细胞邻居列表5 g网络。尽管最近ANR技术包括细胞邻居列表的优化算法,这些算法研究不断,这些算法是有限的(例如,不自量力的场景)和不充分考虑未来网络环境(即。,增加同时交接和频繁变化的邻居细胞列表由于自然现象)。本文虽然不是算法来解决这些问题,肯定需要更多的资源来考虑他们所有人。

此外,它也是很有必要ANR技术灵活操作。以来在一些细胞,细胞邻居列表是频繁的修改,有必要扩展的容量ANR函数快速优化细胞邻居列表。同时,有必要减少一定的容量函数当邻居细胞为了节省资源列表很少改变。一定技术的灵活操作,我们建议使用NFV操作ANR。在这种情况下,一定是自我优化的一个重要功能以及自我配置。像分布式的儿子27],ANR-VNF,这意味着网络入口是虚拟化,ANR功能,部署在每个eNodeB和可以扩展,也被削弱。NFV的属性使其成为可能。NFV可以得到想要的资源分配在一个共同的计算机和重新部署VNF修改这个分配资源。

图6描绘了一个提议的概念图ANR-VNF模型。在未来,如果网络实体将NFV取代,eNodeB将运行在常见的计算机数据中心像BBU图。图的右侧6描绘,ANR-VNF BBU扩展,因为移动细胞附近的体育场数据卸载。相反,左边的图6表明,在郊区和农村地区,部署ANR-VNF BBU因为邻居细胞用最小的资源列表在这eNodeB很少改变。

ANR-VNF,似乎繁重的典型部署vm(虚拟机)。因此,有必要使用一个Linux容器(例如,码头工人)使用ANR-VNF轻松(28]。与虚拟化hypervisor,容器运行在用户空间中最重要的一个操作系统的内核。因此,一个容器允许将多个隔离的用户空间实例运行在一个主机(29日]。换句话说,如果一个虚拟化eNodeB部署在一个共同的计算机,ANR-VNF可以这个主机上运行。这些容器的功能使该策略成为可能。

5。结论

在5 g网络,在很多情况下网络环境将会改变。小细胞,细胞会增加由于频率属性和数据卸载。这些变化将导致细胞邻居列表修改更频繁地提到。此外,由于细胞的报道将成为小,许多设备将连接到网络由于物联网,毫无疑问,同时交接的数量将会上升。

这些变化将降低切换性能优化如果邻居细胞列表不经常和单独,这优化需要更多的资源。这些变化的风险是通过几个实验的证明。因此,我们提出一个新的战略ANR(即。ANR-VNF)通过使用NFV克服这种风险。这种策略可以使ANR能够应对网络环境的变化灵活和有效的资源管理和移交的性能。在未来的工作中,我们将集中在算法来解决这些问题,将它与其他算法进行比较。此外,有必要实施和运作在每个eNodeB ANR-VNF。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了MSIP(科技部、ICT和未来规划),韩国,在“ICT符合创新项目”(IITP - r0346 - 16 - 1008),监督由IITP(信息与通信技术促进研究所)。

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