abstract

  1. 전통적 문제점
    • network operator의 capital expense (exclusive spectrum, cell sites, RAN equipment, edge infra)
  2. 해결책
    • neutral host infrastructure을 통해 expense를 줄일 수 있음
      • network operator에게 RAN service를 제공 (virtualization, slicing)
  3. 해결책의 문제점
    • 그러나 현재 존재하는 neutral host : lack automated, virtualized pipelines
  4. 새로운 해결책 : NeutRAN
    1. zero-touch framework based on the O-RAN architecture
    2. optimization engine : 제한된 specturm과 RAN node를 이용해 coverage와 quality를 보장
    3. micro-service : optimization engine을 가상화, 자동화하기 위해
  5. simulation 구성
    • 4 OpenShift cluster + programmable testbed (3tenant, 각 10user)
  6. simulation 결과
    • 10초 만에 neutral host based cellular network 배포
    • 사용 주파수 : 30MHz 공유 spectrum
      • cumulative network throughput 2.18배 증가
      • per-user average throughput 1.73배 증가
    • 사용 주파수 : 10MHz 공유 spectrum
      • cumulative network throughput 1.77배 증가

introduction

  1. network 발달로 인한 expense 증가

  2. neutral host infrastructure의 소개 및 역할
    • 비용절감
    • infra 공유
    • spectrum 공유
  3. neutral host infrastructure의 문제점
    1. fine-grained sharing의 부재
      • 동일한 infra에서 computing과 spectrum slicing 세분화해서 tenant들이 공유하는 메커니즘이 부족
    2. dynamic sharing
      • spectrum을 공유할 때 시스템이 적응하고 조정하는데 시간이 걸리는 것이 문제
      • 필요에 따라 주파수와 infra를 즉시 공유하고 조정할 수 있어야하는데 그렇지 못함
    3. Lack of automated and virtualized pipelines for multi-tenant management
      • 이게 있어야 여러 회사가 문제 없이 infra와 spectrum을 공유할 수 있음.
    4. Lack of timely management of the life cycle of network services
      • 복잡한 소프트웨어 서비스(소프트웨어화된gNB)가 빠르게 instance화되어야 하기 때문에, spectrum 및 RAN infra 리소스의 dynamic allocation이 어렵
      • 저지연 종단 간 파이프라인이 부족하기 때문 (RAN, resource, interface 관리를 통해 network service의 life cycle을 관리하는 pipeline)
    5. Operators’ perception of resource sharing as a risk
      • 운영자는 exlusive spectrum 라이센스를 선호
      • dynamic, fine-grained 리소스 할당을 통해 SLA 지원할 수 있는 공유 solution이 없기 때문
    • tenant requests, available resources, and network analytics to generate an optimal allocation of micro-services and spectrum resources (e.g., spectrum slices)
  4. NeutRAN
    • zero-touch dynammic and fine-grained RAN and spectrum sharing
    • tenant로부터의 high-level intents와 request를 만족
    • 다음 2가지를 포함한 end-to-end pipeline을 통해 구현할 수 있음
      1. virtualized, automated RAN infrastructure
      2. optimization engine with sarhing policies
  5. Contribution
    1. NeutRAN zero-touch framework and automation pipelines
      • OpenShift, Kubernetes, O-RAN, SDR을 이용해 prototype을 구성
      • centralized SMO -> edge datacenter, cell site로 9초만에 네트워크 구성 가능
      • RIC, xApp, rApp도 배포
    2. NeutRAN optimization engine rApp
      • latency와 QoS, SLA를 보장하는 engine
      • neutral host problem 모델 : binary QCQP optimization problem
      • (Quadratically Constrained Quadratic Programming)
      • 최적화 방법 : reformulation linearization techniques
      • rApp : O-RAN interface로 RAN 성능에 대한 data 및 분석을 수집
      • rApp은 SMO에서 관리, 배포가 이루어짐
    3. calability, efficiency, and experimental evaluation
      • 대규모 네트워크 구성 -> 최적 solution 계산 -> tenant의 요구사항 만족하는 resource를 할당
      • simulation
        • 환경 : 기지국 4개, 3개 tenant (UE 10개씩), RAN(10MHz, 30MHz)
        • 결과
          • 30MHz : RAN 처리량 2.18배, 평균 사용자 처리량 1.73배의 증가, SINR 일관되게 개선
          • 10MHz : RAN 처리량 1.77배의 개선, 평균 사용자 처리량은 유지 (스펙트럼이 감소됐음에도 성능이 감소하지않음을 말하고싶은 듯)

NeutRAN Framework

  1. NeutRAN = infra + engine
    • infra : O-RAN 기반 소프트웨어화된 자동 infra
    • engine : 효율적인 RAN, spectrum 공유를 위한 최적화 engine
  2. NeutRAN 이해관계자 = tenent, operator
    • tenent : 최종 사용자에게 서비스를 제공
    • operator : infra 소유, 자동화된 RAN, spectrum 공유 pipeline에 접근을 제공

O-RAN

  1. O-RAN
    • cloud native 원칙을 기반으로 구축된 mobile cellular network를 배포하기 위한 분산 접근 방식
    • 구성요소
      • 분산된 network 요소 : CU, DU, RU, RIC
      • 표준화된 interface (구성 요소 간의 상호 운용성 촉진)
  2. RIC
    • 데이터 기반의 closed-loop control 및 network management application(xApp, rApp)을 이용
    • non-RT RIC(비실시간), near-RT RIC(실시간)
    • app들이 RAN에서 실시간으로 KPM을 수신하여 동적 채널 조건과 트래픽 수요에 맞게 configuration을 조정함
  3. O-cloud
    • O-RAN이 O-Cloud의 computing resource pool에서 RAN을 위한 가상 service를 배포함
    • cloud에 배포된 SMO에 의해 관리됨 (SMO가 service를 관리한다는 말이겠지)
      • SMO
        • O-RAN의 O1 interface를 사용 : 네트워크 infra, resource (computing, spectrum, coverage)의 추상적인 view를 제공
        • O-RAN의 O2 interface를 사용 : O-Cloud의 가상화 자원에 연결하여 새로운 service 배포 및 update를 트리거
        • O-RAN의 non-RT RIC과 rApp이 실행되는 장소임

NeutRAN 구성요소

  1. SMO
    • optimization engine을 구현하는 rApp의 non-RT RIC instance로 구성
    • rApp의 입력 : tenant request + monitoring rApp이 수집한 RAN의 분석 data
      • tenant request : O-Cloud에 배포될 service에 matching
    • optimization rApp 종류
      1. service instance화의 자동화를 맡는 rApp
      2. self-healing을 위한 infra monitoring을 맡는 rApp
      3. coverage rApp : 각 cell site가 커버하는 영역을 식별하기 위해 과거+현재 coverage data를 monitoring
  2. edge datacenter
    • OpenShift를 통해 pipeline 구현
      • redhat에서 제공하는 open source platform
      • O-cloud 위에서 application을 쉽고 효율적으로 관리, 배포
    • kubernets 기반으로 application, workload를 instance화(pod를 이용해 containerized virtualization)
    • workload
      • virtualized core network
      • RAN (+ tenant별로 다른 CU, DU)
      • near-RT RIC (+xApp)
        • E2 interface 사용

        • xApp : 사용자 수요와 자원 사용을 예측하고 모니터링 -> engine 도움

          <OpenShift pipeline + optimization engine rApp>을 통해
효율적인 datacenter resource를 sclicing할 수 있음

  1. cell site
    • datacenter : O-RAN Fronthaul (FH) interface를 사용해 multiple cell site와 연결됨
    • cell site에는 RU, antenna가 있음

NeutRAN 자동화 workflow

  1. step 1 : tenant가 request를 NeutRAN에 제출

     intent 종류
     - 필요한 service
     - 필요한 resource
     - fault-recovery policies

  2. step 2 : SMO의 rApp(최적화 engine)에 input입력됨

     - input : request + resource(spectrum, infra)

  3. step 3 : engine의 output인 policy가 edge datacenter에 전달

     - output : resource allocation policy (O2 interface를 통해 datacenter에 전달)

 - resource allocation policy
     - 각 tenant에 할당된 spectrum(carrier freq, bw)
     - cell site
     - edge datacenter의 computing resource

  4. step 4 : edge datacenter에서 tenant가 요구하는 요소를 pipeline을 통해 준비, 실행

     - tenant가 요구하는 것을 pipeline을 통해 instantiate
     - CU/DU
     - core network
     - near-RT RIC + xApp
 - instantiate가 끝나면 edge datacenter에서 RAN service가 실행됨
     - core network와 near-RT RIC 연결
     - RAN의 KPM이 RIC에 보고되어(by E2 interface) xApp이 사용 
    
 - 다수의 tenant가 동일한 기지국을 공유하는 상황이 생길 수 있음 (policy에 따라)
     -> 해결책 : tenant 별로 RAN sclicing을 사용
     -> NeutRAN은 사용자에게 spectrum을 고정적으로 할당하나, sclicing xApp을 사용하여 동적으로 할당할 수 있음

  5. step 5 : tenant가 요구하는 RAN, spectrum에 대한 microservice가 완전히 provision(instanciate)

  6. step 6 : edge datacenter와 SMO의 monitoring

     - 각각의 monitoring xApp, rApp을 실행하여 
     - resource를 monitoring
     - fault를 self-healing

THE NEUTRAN OPTIMIZATION ENGINE RAPP

A. System Model

B. Problem Definition

C. Problem Formulation

D. Complexity Analysis and Mitigation