책을 읽었습니다. 5G Network Slicing for 5G and Beyond Networks

국내에 번역서나, 한글서적으로 나와있을지도 모르지만. 일단 구한건 외국원서입니다. Network Slicing for 5G and Beyond Networks. S.M. Ahsan Kazmi, Latif U.Khan, Nguyen H.Tran, Choong Seon Hong, Springer, 2019.
저자중 한분이 홍충선 교수님이시네요. 저자는 경희대 세 분과 러시아 이노폴리스 대학, 시드니 대학으로 구성되어 있습니다. 하드커버이긴한데, 한 손으로 들고 읽기에도 부담 없는 무게의 책입니다. 가격은 요새 원서들이 다 그런지 모르겠지만, 10만원을 넘어서네요. 대학 교재로 쓰던 것도 인터넷 서점에서는 그 가격인 걸 보면, 대학에 싸게 공급하는건지 모르겠네요.. 아니면 요새 정말 원서 값이 그 정도인지.. 그렇다면 대학생들 정말 공부하기 힘들겠네요. 등록금도 비쌀텐데…

그냥 스윽 훑어본 느낌으로는… 논문이네요 –;; 요샌 스펙문서도 거의 이 정도 규모급이긴 하던데, 후딱 읽어보고 같은 부서분께 소감과 함께. 숙제를 넘겨야겠습니다. ^^; 요새 네트웍쪽은 뭔가 새로운 축약 용어들이 난무해서, 그냥 받아들이면 편한데, 따지고 들면 머리가 아파서, 상대하시는 분에 따라서 적절히 넘겨서 혹은 쉬운 용어로 대체해서 설명할 줄 알아야 할 것 같습니다. 그래서 이글에는 책에 나오는 용어 전체이름만 정리해 보도록 하겠습니다. 1/3 정도는 이미 일반인들에게도 익숙한 단어들로 보이는데, 나머지의 반은 기술쪽에 있는 사람도 쉽게 감 못잡을 용어들로 보이네요.

MIMO: Multiple-input and multiple-output
OFDMA : Orthogonal Frequency division Multiplexing Access
METIS : Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty(2020) Information Society
URLLC: Ultra-Reliable Low Latency Communications
eMBB : enhanced Mobile BroadBand
mMTC: massive Machine Type Communication
MBB: Mobile BroadBand
HetNets: Heterogeneous Networks : small cells under macro cell (https://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/1576-hetnet
D2D : Device to Device, “D2D pair can directly communicate without routing its traffic through the central base station”, p.4
LTE-U : LTE-unlicensed, “Licensed assisted access has been standardized by 3GPP where LTE-U is enabled for downlink communication while the uplink communication and control signaling is performed on the licensed band.”, p.5
SBSs: (low power) Small-cell Base Stations vs traditional Macro cell, aka femto cell, pico cells
MBS : Macro-cell Base Station, Macro Cell and SBS is linked with Fiber backhaul links
LBT: Listen Before Talk
NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access, OMA : Orthogonal Multiple Access
WNV : Wireless Network Virtualization
InPs: Infrastructure Providers
MVNO: Mobile Virtual Network Operations
5G usecases : eMBB, URLLC, mMTC, Three anchor.
NFV: Network Function Virtualization
SDR : Software Defined Radio
SDN: Software Defined Networking

Mobile Network 및 5G 개요에 해당하는 Chapter 1 이 지나면(Paper 하나인듯)
Chapter 2 Network Slicing: The concept이 본격 시작됩니다.

여러 응용이라고 표현이 자주 나오는데, 거의 모든 네트워크 시장의 마켓별 분류정도가 됩니다. IOT, 센서네트워크, 통상의 컨슈머 셀룰러, 게이밍, 재난망 등등… 모두 다 몰아넣었네요. 핵심은 NFV가 될것 같습니다. NFV관련해서 거의 바이블처럼 생각되는 페이퍼가 있는데, 여기저기 인용을 하는 간접 페이퍼, Security관련한 페이퍼는 PLoP에 거의 전문으로 하시는 분이 있어서 많이 읽어봤네요. 근간이 되는 Paper도 읽어봐야할 것 같습니다.

MANO : Management And Orchestration
NGMN: Next Generation Mobile Network
Tenant : “Tenant denotes the users that can access the shared resources with specific privileges and access rights”, p.15

2.2 Network Slicing Principles
공통된 물리 네트워크 위의 여러 논리 네트워크들을 생성해서, 여러 마켓 어플리케이션을 서비스 하는 것이라고 되어 있네요. 원칙은 3가지로

Slice Isolation : 성능과 보안을 여러 Tenants들에게 독립적으로 제공해야 한다입니다. fair sharing of the resources라고는 하는데, fair가 참 애매해보입니다.

Elasticity : 자원할당을 자유자재로 변경할 수 있는것을 얘기하네요. 효율성이 주요 키워드겠습니다.

End-to-End Customization : 이것도 효율성인 것 같은데. 앞서서는 자원의 재할당이었다면, 이번에는 utilization에 초점이 있는 듯 합니다. 어렵네요. 미래얘기인 듯 써 놓기도 했습니다.

SDN : Floodlight, Onix, NOX, OpenFlow, kandoo, Huperflow, ONOS 등 뭔가 많네요.
NFV : “uses commodity hardware to run software virtualization techniques for implementation of network functions”, p.18 결국 경제 논리인 듯 합니다.
Cloud-Computing도 얘기가 나옵니다. 기존의 xAAS를 사용자 관점의 분류로 이야기하고 있습니다. 맞는 것 같기도 하네요.
IAAS: Infrastructure as a Service, Network Architects
PAAS: Platform as a Service, Application Developers
SAAS: Software as a Service, End users

Cloud Deployment Models로 다섯가지로 분류하고 있습니다.
Private, Public, Community, Hybrid, Virtual PRivate

Requirements for Cloud Computing in 5G로 패턴에서는 Forces로 SE에서 항상 얘기 되던 것들을 나열합니다. 왠지 친숙하네요

Reliability, Sustainability, Scalability, Fault Tolerance, Security and Privacy

그리고 Edge Computing 얘기가 나옵니다.
“edge computing comes into the picture which leverages pushing of the storage and computing resources to the edge of the network”, p.22
동의어 혹은 분류로 cloudlets, fog computing, mobile edge computing, 각각 Satyanarayanan et al., CISCO, ETSI 에서 밀고 있다고 하네요. 또 각 데이터 센터, 라우터/게이트웨이, 모바일 베이스 스테이션을 위한 개념들이라고 합니다.

Chapter 3 Resource Management for Network Slicing

점차 모바일 기술 용어들이 나타나기 시작합니다.

RAN: Radio Access Network
RAT : Radio Access Technology
CN : Core Network
QoS : Quality of Service
BS : Base Station
sub 6G, over 6G hz 얘기도 나오고요.
5G NR : 5G New Radio
BS에서의 Content Caching얘기도 나오네요. Backhaul 부담 덜어주는 목적으로

3.1.2 Network Slicing 책 제목의 주요 키워드가 드디어 등장합니다.

Application의 예로서 Argumented reality applications : ultra-realiable and low latency, VOD : high throughput, 그리고 Network As A Service용어가 등장합니다.
관련인으로서 다음 문장이 확 와 닿네요
“They do not consider specific algorithmic approaches for slice creation ,slice allocation, slice interactions, admission control, etc.”, p27 … 아몰랑이 생각납니다. –;;
2015, 2016년에 걸쳐서, SKT, Ericsson, NTT DoCoMo, Huawei, Deutsche Telekom, ZTE, Chnia Mobile 들이 뭔가 될거라고 보여줬다고 합니다…. 하아… 2020년인데….
SDN, Virtualiation, NVF는 발전이 많았는데, RAN Slicing은 아직 미비하다고 하네요. 아마 이 책에서 얘기할 듯 합니다.
3.2 RAN Resources : 중요한 세가지 종류로, Radio Resource, Cache Resources, MEC Resource를 꼽고 있습니다.

Radio Resource: 는 주로 실제 Radio Sepectrum을 어떻게 할것인가에 대한 이야기를 하고 있습니다.

mmWave : Milimeter wave
MINLP: mixed-integer nonlinear programming, 리소스 할당의 최적화 이야기에서 나오는 얘기네요. 두가지 주요 알고리즘중 하나이고, 다른 하나는 QoS based radio resource management라고 합니다.
two-tier HetNet에서의 Resource Allocation에서의 문제가 mixed-integer resource allocation problem이란게 있다고 합니다. 이걸 duality-based혹은 matching theory로 해결한다고 합니다. 현재는.

알고리즘에서 고려하는 중요한 요소로 power가 얘기되고 있네요.

Caching으로 넘어가서, cache enabled C-RAN, cache enabled macro cellular networks, cache enabled D2D networks, cache enabled HetNets라고 네가지로 분류하여 설명하고 있습니다. 그리고 Machine learning에서 많이 듣건, Global Optimal Solution얘기하고, Decentralized algorithm, Centralized Algorithm 얘기가 적혀 있네요… NP-complete까지… near-optimal로 Dynamic Programming에,
SNM : Short Noise model 등등.. 알고리즘 용어 대잔치로 보입니다. Cache라는 주제로 다른 페이퍼 한뭉치는 나올 것 같네요.. 에휴.. 많다… Yang et al. 저자를 찾아봐야할듯 합니다.

Edge Computing Servers에서는 아까의 용어들 잔치와, offloading이라는 단어가 눈에 띄입니다.

3.3 Use Case들이 등작합니다. 각각에 대해서 수학적인 모델수식이 등장하기 시작하네요. 빨리 넘겨야겠습니다. 첫번째는 “Virtual Reality” 이네요. 계산식은 제법 단순한, Size, 즉 데이터 총량의 추정을 합니다. 이걸로 Learning알고리즘 돌리려나보네요.. 많이 보던 수식 패턴이 보입니다.

ADMM: Alternating Direction Method of Multipliers, 일반적인건지 저자가 제시하는 건지 모르겠는데. 주요 솔루션의 접근 기법이라고 합니다. 목적은 Task Offloading을 결정하기 위한것이라고 하네요.
PPP: Poisson Point Process, PPP가 이런 뜻으로도 되는군요 –;
암튼 그래프 제시와 함께 성능은 기존에 비해서 좋다고 합니다. 전형적인 페이퍼의 결론이되겠습니다. 다른 Use Case가 더 나올 줄 알았는데. 아니군요…. 하아… Reference는 43개나 되네요.. 고생 좀 했겠습니다.

Chapter 4 Network Slicing: Radio Resource Allocation

챕터 3이 Network Slicing이었는데. 이번엔 뭔가 부제가 더 붙었네요.

WNV: Wireless Network Virtualization, “These resources are then isolated to a number of virtual resources(slices)” , p.43, 가상화리소스가 거의 Slice와 동일개념으로 쓰이는 느낌입니다. “main goal is to assign slices to different mobile virtual network operators(MVNOs) such that the network utility is maximized”, p.43 제법 경제적인 논리로 설득력 있는 문장입니다. 동의합니다. 돈벌어야죠, 최대한 많이.

Radio Resource Allocation with Single InP : InP에서의 MVNO사업이 주요 골자이겠습니다. 망 대여하고 돈 버는 것.

InPs: Infrastructure Providers
RB : Resource Block
SLA: Service Level Aggrements
VR : Virtual Resource, 또 다른 VR입니다.
여기서는 수학 모델링에서, Bandwidth와 Power를 주요 계산요소로 따지고 있네요. 해결 알고리즘으로는 Matching Theory를 쓰고 있습니다.

아마 이론에서 나오는 용어들과 그 순서대로 문제를 풀어가고 있는것 같은데.
Matching Game: Preference Profile 이라는 개념이 있는 듯 합니다.
알고리즘 설명후 시뮬레이션 파트에서는 그림으로 Base Station에서 처리할 VNO user들을 점으로 표현한 걸 보니. 감이 어느정도 옵니다. 일단 골라서 서비스하면, 빼는식으로 계속 가다가 마지막에 자르기…

Radio Resource Allocation with Multi-InP : MNO+MVNO에서 여러 유저들을 할당하는 문제 같습니다. Base Station은 하나이고, Network Slice가 갖는 속성이 다를것으로 가정하여, 이게 본게임이 되겠네요. 거기에 MVNO들도 여럿이 될수도 있다고 하니, 난장판이겠네요. Fig 4.5는 Fig 1.5와 같은건데. 여기서 의미가 명확해지네요.

two-sided matching games을 쓰면 된다고 합니다. low-level game, high-level game으로 구분해서 단계적으로 차등으로 처리하나 보네요. 그래서 나오는게, Hierarchical Matching(HM) Game Algorithm이라고 합니다.
Stage 1: Low-Level Matching – Service Selection
Stage 2: High-Level Matching – Resource Purchasing
결과가 할당된 그룹이 나온다고 하네요.
단점은 Stage1이 고정되지 않으면 Stage2에도 영향을 주는 점이라고 합니다. 다음 논문주제가 되겠군요.
여기서의 Slice는 RAN Slice, Bandwidth 분할 할당 이야기이네요. 네 그랬었죠. Radio Resource Allocation

Chapter 5 Network Slicing: Radio Resource Allocation Using Non-orthogonal Multiple Access
네.. 챕터 제목이 점점 길어집니다 –;;

SIC: Successive Interference Cancellation
MBS: Macro Base Station

Fig 5.1 이 나오는데, Frequency-Time domain관련 Resource Block이 등장합니다. Slice간의 clustering 얘기가 나올 듯 합니다.

Matching Game for User clustering(NOMA clustering)

Matching Game with Externalities for User Clustering

Gale-Shapley style algorithm 등등 많이도 나오네요. 요건 적용안되서, blocking pair라는 개념이 쓰인다고 합니다.

Arithmetic-Geometric Mean Approximation
SCA: Succesive Convex Approxmiation, 아.. 알고리즘시간에 들었던 것 같은데…
JUCRAN: Joint User Clustering and Resource Allocation in NOMA. 아. 뭔가 억지스럽다…
KKT: Karush-Kuhn-Tucker 조건을 만족한다고합니다.. Centralized SCA-Based Power Assignment with AGM Appromixation이…

이 다음은 JUCRA 2 3으로 이어지는 Simulation결과로 끝날것 같네요.

Chapter 6 Network Slicing: Cache and Backhaul Resource Allocation

끝나지 않는군요. Network Slicing이란건…
“This work mainly dealt with the network virtualization targeting the uplink of a cellular network” p.91 라고 합니다. 핵심 그림은 Fig 6.1

풀어나가는 중에 나오는 알고리즘들, Hungarian Algorith, Distributed Algorithm(JSPA-HSA) HSA가 Hungarian-based Slice Allocation. JSPA는 Joint Slice and Power Allocation
MSA: Matching based Slice Allocation algorithm –;
BS: Bandwidth Slicing, 약어 힘드네요..

JP-ADMM: Jacobi-proximal alternating direction method of multipliers가 Decentralized 라고 합니다. PBCD보다 좋다고 합니다.. Proximal Block Coordinate Descent 흠.. general multi-convex 문제를 푸는데 쓰인다고 하네요.

Chapter 7 Network Slicing: Dynamic Isolation Provisioning and Energy Efficiency

이제 에너지가 등장했습니다. 통일은 없는걸까요? –;

NLS: Non-cooperative Leasing Game
Lyapunov Online Algorithm을 이용한다고 합니다.
CSI: Channel State Information
QSI: Queue State information
근데 수식은 많이 보던 Cost functoin형태이네요

Stackelberg Game and Stackelberg Equilibrium

Chapter 8 Concluding Remarks 마지막입니다. 오예.

오픈 이슈
1.Dynamic Slice allocation : 이 책에서 안 다룸. 실제 시스템과는 거리가 있음. –;;
2.Mobility Aware Network slicing: 다른 Station으로 도망간다면, Inter-InP

세줄 요약
1. RAN Slicing에 대하여 다루었음.
2. 여러 가지 알고리즘으로 RAN의 주요 요소와 속성들을 고려하여 문제들을 풀었음
3. 실험환경 내에서의 결과 한정으로 할것 많음.

소감
UE를 주로 다루는 제 입장에서는 MNO(InP)가 MVNO를 고려해서 Network Slice를 만들어 내고 있다라고 밖에는 안 느껴지네요… 돈때문에.
책 번역본은 절대 안 나올 듯 합니다. 논문집이라…