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TD-LTE虚拟细胞：一个以用户为中心的多e-NodeB节点的弹性资源管理的SDN结构
文章信息：
文章历史：2015年6月20日完成
2015年10月26日修改
2015年12月19日通过
2016年1月8日可在线下载
关键词：TD-LTE
SDN
RRM
摘要：本文介绍了机械化高效管理时分双工长期演进技术网络（TD-LTE的）资源机制和算法，通过一个灵活的方式使（i）动态的帧交替在每一个发展节点B（eNB）及（ii）形成虚拟细胞，它允许用户使用位于可以利用来自eNB的不同区域的资源。我们的方法利用软件定义网络（SDN）的优势管理网络资源的利用率和允许需要资源的申请或服务。由申请或服务所得到的资源按需分配，通过调整时分双工（TDD）在不同地理位置区域的帧。这可以通过在重叠的区域创建虚拟细胞，这个区域可以为本地用户定制服务。一项模拟实验已经被执行用来详细解释这种方法的好处和在与现在的传统TD-LTE配置对比的表现增强。这个结果客观的阐述了包括上行链路和下行链路的30%-35%的显著性能提升。
copy;2015 Elsevier公司保留所有权利。
1、介绍
智能手机和平板电脑的快速应用，伴随着高速移动宽带网络的部署，已经导致了不同移动服务的进化并且创造了数据传输的海啸。手机应用比如社交媒体和云服务已经改变了人类交流和从互联网获取信息的方式，也因为始终的特性而更加具有互动性随着上行链路的需求越来越高。相应的，机器类型通信（MTC）应用介绍了更多不同的上行链路传输方式，这种传输方式传递更多的小数据，它可以提高特定的服务质量(QoS)需求。因此，手机应用和服务的出现需要一个增长的网络资源弹性程度来确保不同的服务质量要求。
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- 动机和问题描述
时分长期演进技术（TD-LTE）支持不配对的高频率的带宽，其中上行链路（UL）和下行链路（DL）在时域中分离。每个时分双工（TDD）框架可以支持潜在的UL / DL比率，遵循着7中在参考文献3中不同的配置，提供新兴的信息应用的资源分类。表1说明了现在每个3GGP TD-LTE中上行和下行链路的配置。尽管这些UL/DL资源十分灵活，TD-LTE初始的部署包含了穿过特定网络区域的同步结构配置，所有的“细胞”提供一个相同的UL/DL比率避免交叉时隙干扰。这种的网络配置有效的限制了UL/DL资源灵活性的优势，因为它把限制强加于相邻的“细胞”间。作为回应，第三代合作伙伴项目集中关注于加强解决干扰和容纳传递适应性上。这些努力介绍了“细胞”特异的机制，这种机制是UL/DL配置改变用一种分布式的方法在每个“细胞”独立的发生，从而达到把UL和DL网络资源优化到更好的服务本地传输命令的目的，假如用户设备（UE）在特定的时间和一个单独的“细胞”连接在一起。
然而，相邻的“细胞”可能会引入重叠的区域，在这些区域UE们可以潜在的利用资源，即TDD子帧，考虑到从不同的“细胞”提供的干扰。当相邻的“细胞”应用了一个卓越的UL/DL配置，这个重叠的区域可能会提供另外一个UL/DL比率，形成一个起源于UL/DL配置所涉及的细胞优化过的独特的框架，通过这个方式引入一个“细胞”是虚拟的概念，即没有物理基础设施。这些虚拟的“细胞”在增强TD-LTE资源分配效率方面的好处在参考文献6中已经展示了，它允许移动的操作者用服务命令匹配上更近的提供的资源。然而，这些关于演示一个虚拟“细胞”的性能潜力的分析考虑到了一个简单的方案，这个方案在3GPP术语中是指两个基站或者eNBs。
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- 贡献
这篇论文介绍了机制和网络管理体系结构，它可以促进一个对TD-LTE网络中虚拟细胞更广泛的应用。它遇到了与细胞特异适应性的UL/DL构架再配置更密切的协调，即强制一个被选择的关于特殊细胞的构架再配置，这可以让一个提升的虚拟细胞信息而不是向其他现有用户的性能妥协。考虑到网络管理的构筑，这篇文章把SDN范例应用于促进一个基于全球网络视角的网络资源控制，这也让申请和服务的提供者们可以通过申请-控制平面接口（A-CPI）获取QoS和资源。尽管这些后来的特点不是很明确的存在于工作中，这些预设的机制可以协调按需分配资源，这种分配机制反映了对于通过用A-CPI获取OTT资源的通用案例。
基于这些信息，和从应用和服务提供者那里收到的知识，SDN控制器：（i）满足一个运算法则，这个法则可以确认对于声波接入网中特殊的eNBs的TD-LTE构架配置并且（ii）强制这个新的TD-LTE构架配置在某个选中的eNBs中允许用一个在特定地点使用虚拟细胞的选择来达到更有效的资源管理。
特别的，这篇论文的贡献在于
- 一种考虑到宏蜂窝部署方案而采用虚拟细胞的SDN范例式框架，在这个框架中SDN被用于控制一个再配置的UL/DL TDD比率在特殊的eNBs里，目的是保护虚拟细胞的安全。这些资源可以为需求的传输要求服务从而尽可能的解决虚假的拥挤，并不用增加对于所有其他用户的超过限制的干扰，即确保所有的虚拟细胞的影响是积极的。
- 对于一个SDN网络管理结构的介绍支持对于虚拟细胞的基于被观察的传输需要的监控和动态控制。
- 对于虚拟细胞的资源分配的分析逻辑考虑到了资源堵塞的数量，这个会增强UE们不与其他存在的用户妥协的资源分配和网络利用。
- 形成虚拟细胞的运算法则和加强在被选择的细胞上的TD-LTE构架再配置是为了克服虚假的堵塞。
- 一项模拟的研究提供了一个关于预想的虚拟细胞解决办法的相对估计，它采用的是细胞特有的适应性再配置和简单的数据配置。
这篇文章剩下的部分是按下面所说的安排的。第二部分记录了相关的工作。在展现TD-LTE弹性资源管理运算法则之前，第三部分介绍了虚拟细胞的概念，详细阐述了基于SDN范例的网络管理结构，分析了在TD-LTE中的干扰和定义了虚拟细胞的有效容量分配。第四部分展现了模拟的安装和分析结果。最后，第五部分总结了我们的工作并且提供了更长远研究方向。
2、相关工作
在初始的TD-LTE部署中，每个细胞支持一个同样的TDD构架，这个构架匹配最好的估算的长期UL/DL传输要求。这种通过eNBS网络区域的同步操作提供了一个均匀恒定的UL/DL比率，这个比率提供了一种简单的避免交叉时隙干扰的方法。对于提高这种计划的灵活额是性的努力集中关注处理干扰，这是对抗TD-LTE动态形式的基础限制，这种动态形式是每个细胞都可以基于进化的传输命令适应一种不同的TDD构架并且随着时间改变。在参考文献4和8中，应用一种灵活的TD-LTE计划的挑战和好处是分析集中于在每个细胞上动态的改变UL/DL配置的机制。我们的目的是应用一个动态的TD-LTE计划，利用能量控制机制来是一个干扰缓解。
在TD-LTE中以优化UL/DL比率选择的机制研究上，最近的成果是考虑到了不同限制的结果。UL和DL一个不对称的分配是影响在参考文献9中正在研究，这个的目标是重塑干扰信道来利用高效可用的回程资源。在参考文献10中，协同分散机制介绍了在考虑瞬时数据速率条件下提供一个局部最优的解决办法，这可以通过可靠的低速率信号在相邻的细胞间交换。一种旨在最大限度地减少信息的替代方法，通过使基站进行相邻细胞之间的交换展现了一种在参考文献11中的以游戏理论方式介绍的UL/DL比率优化，考虑到UL/DL在与信道的联系上有延迟，干扰和流水级动力学。
考虑了在比特率方面的服务质量的不断变化，进一步优化选择的TDD帧的要求在参考文献12中阐述的保证和数据包延迟。潜在的收获在减少了包的延迟每个TDD时隙方面是自由分配为UL或DL而不是7个参考文献13中预定的TDD帧，在使用干扰抑制合并（IRC）能够让接收者处理交叉缝隙干扰。
在频分双工（FDD）和TDD之间的弹性资源共享的SDN架构增强了灵活性和网络资源管理的电子效率，这在在参考文献14中有描述。本文还采用SDN网络管理范例，但是集中在网络编程方面，即为强迫TDD比率为TDD的虚拟细胞再配置，提高用户的服务性能和网络资源的利用。
然而，这样的建议想把个人eNBs的重点放在一个提供了动态的UL / DL比率的方法上，这个比率是自主性的考虑到了一种不同的优化因素。不像这些以细胞为中心的方法，我们的建议是延伸超过一个单个的细胞，即局部优化，像参考文献6中说明的那样利用有效资源的多样性在重叠的细胞区域中进行。这使用UE们可以利用从多个eNBs的子帧，即形成虚拟细胞提供定制的TDD帧，这种帧最适合UL / DL传输的需求。进行无线资源管理相结合的在虚拟细胞中的动态TDD再配置用一个分布式的方式是最理想的。因此，集中智能是考虑到传输动力学的对大量电子干扰缓解的最好建议。
我们的虚拟小区的概念也在参考文献15中提过，考虑到应用性能的特点是在小细胞环境中，它是采用SDN模式提高用户QoE。特别的，当它发现用户遭在受QoE的降解时，在eNB上的QoE评估功能会联系SDN控制器，它可以从利用从多重eNBs中获得的好处形成虚拟细胞。不像参考文献15中的那样，本篇文章提供网络编辑操作，强制一个在特定的eNBs上的TD-LTE构架再配置，因为使虚拟细胞拥有特定的UL/DL比率和提供一个运算法则来实现目标。
类似的方法被称为V-cell，它提供了一个组合异构无线资源，即宏单元，小细胞和家庭基站，作为一个UE们的资源池，并认为这样的访问作为一个逻辑单宏单元。网络资源管理通过SDN控制器进行，它包含了一个逻辑的下层网络的全球视野，从而更有效地通过全部的物理电波元素池来规划资源。
一种基于SDN的，依赖于抽象的自然资源和以它们作为单一的虚拟无线接入的无线接入网（RAN）管理架构在参考文献17中进行了分析，这也提供了关于SDN控制器包括主要相关函数和控制平面机制的更多细节。这些设备允许RAN像参考文献18中说的具有了可编程性，它分析了在异构网络中分离控制和数据简化管理平面的SDN的影响，考虑到了移动性和服务质量感知的网络操作。事实上，SDN架构满足了对应用程序提供商N-API 的QoS提供便利的需求。本文采用类似SDN模板提供了可编程性，这是通过允许一个对于在被选择的eNBs中提供一个动态TDD构架配置联合控制来达到目的的，虽然我们的重点是基于网络测量和资源利用率的网络编程，但是通过N-API请求，被提出的SDN架构可能潜在的提供一个定制的UL / DL比率，允许应用来编辑网络提供用于在特定的时间的特殊服务的资源。这种特征可能会促进网络优化的进步并提供灵活性，可测量性并且使得新服务和TD-LTE系统强化的性能更加容易利用。
3、TD-LTE弹性的无线资源管理机制
本节介绍实现的主要组件提出了弹性TD-LTE资源管理机制。最开始，描述了管理着TD-LTE网络的SDN架构，其次是以构建虚拟细胞为目的的资源管理的逻辑和用来重新编程的网络配置的TD-LTE资源分配算法。
3.1 虚拟细胞的概念
虚拟单元的概念，允许用户利用从多个eNBs的多个子帧，使定制的虚拟框架的形成所产生的从不同的eNBs中的特殊子帧，可以反映用户所需要的最佳的UL和DL传输要求。由这个特征提供的灵活性允许伪分辨率拥塞，同时提高用户性能。“伪拥堵”指的是在TD-LTE eNB有足够资源的现象，但在传输线路于用户需求相比是相反的。这种技术也可以使得在虚拟小区域之外的用户获益，因为它可以为他们释放额外的资源以达到其所需的服务质量。此外，这种技术不仅利用传统的负载平衡的空间域，而且在时域也一样，用来动态化配置单元设置。
相邻的合作eNBs在虚拟细胞的概念中可以作为一个逻辑单元，每个eNB提供不同UL / DL配置。这提供了在较小的地理区域内支持多种多样的应用的能力。这里值得的注意的是，用户不能同时在虚拟小区区域内利用UL和DL子帧，因为设备和硬件的限制。利用来自不同eNBs的子帧的过程需要增强机制来同步UE们和调整它们的发射/接收模式。因此同步是在涉及虚拟细胞形成过程中保证信息收发的eNBs中必不可少的，因为虚拟细胞需要额外的用于控制目的的信令机制。一个关于虚拟细胞的概念的简单例子在图1中表现，在UE驻留虚拟细胞区域内利用从eNB A的UL资源和从eNB B的DL资源来匹配它的传输需求。具体的，UE利用从eNB A的UL资源和从eNB A和eNB B获得的DL的资源，在图1中显示的就是这样一个新的虚拟框架的创建，它能够解决虚假拥塞，否则UE会完全利用eNB A或eNB B.的资源。
3.2 SDN为基础的网络管理结构
以SDN为基础的系统目标是表现网络资源管理和TD-LTE编辑，考虑到了被选择的TDD构架形成虚拟细胞的调整。目的是对单个eNB的控制平面和抽象逻辑进行集中，导致了集体资源的管理和控制基站的资源，如参考文献17里说明的。为了适应这样一个情况，OAM伴随的数据平面接口控制器（D-CPI），可以促进周期的或者按需RAN状态更新，为了帮助SDN控制器形成世界网络的观念。特别，OAM可以为SDN控制器提供RAN拓扑信息，UL和DL下载和关键绩效指标，如切换失败，延迟，吞吐量等。像参考文献20里指定的一样。D-CPI，另外可以提供SDN控制器的具体
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