From network to Spectrum : a software defined networking (SDN) based decision making system for H-CRAN

Abstract

As redes de acesso a rádio heterogêneas baseadas em conceito de nuvem (H-CRAN) incorporam conceitos de redes heterogêneas (HetNet) e redes de acesso de rádio em nuvem (C-RAN) para serem utilizadas nas redes de celulares da próxima geração. H-CRAN explora a heterogeneidade das macro e pequenas células das HetNets, permitindo que as redes de celulares alcancem uma maior eficiência espectral. Já, os conceitos de C-RAN envolvendo unidades de banda base e cabeças de rádio remotas permitem que a H-CRAN insira um ponto de processamento centralizado nas redes de celulares, reduzindo os gastos de capital e operacionais. Embora H-CRAN traga várias oportunidades para as redes de celulares, sua adoção não é livre de desafios. Entre os diferentes desafios existentes, destacamos os mais relevantes, (a) alta interferência intercelular; (b) restrições de latência críticas no processamento de sinal sem fio de longa distância; e (c) má alocação de recursos de processamento. Para enfrentar esses desafios, propomos um sistema de decisão baseado em software-determinado por rede (SDN) capaz de ser modificado para criar decisões que possam diminuir a interferência, atender às restrições de atraso e mitigar a subutilização de processamento para o funcionamento a longo prazo de uma H-CRAN. Ao adicionar conceitos de SDN e uma API orientada a recursos (ROA) simplificada, é possível centralizar logicamente o controle de H-CRAN considerando um conjunto de equipamentos distribuídos fisicamente. A metodologia empregada para mostrar a viabilidade da abordagem proposta baseia-se no desenvolvimento de um protótipo que suporte uma ampla gama de algoritmos de decisão. Este protótipo foi avaliado em três estudos de caso realizados em um ambiente simulado com base na especificação 3GPP para simuladores. No primeiro estudo de caso, avaliamos a sobrecarga de rede implícita ao adicionar um sistema de decisão baseado em SDN para H-CRAN. Posteriormente, um algoritmo de decisão é executado para explorar o compartilhamento de recursos, decidindo quais elementos de uma H-CRAN podem ser utilizados por duas operadoras de forma intercambiável para reduzir a interferência e aumentar a eficiência espectral. O terceiro estudo de caso mostra que a distância entre nuvem e cabeças de rádio remotas deve ser considerada nas decisões de alocação de processamento. Ao avaliar cada um dos estudos de caso, fica evidente a necessidade de um sistema de decisão baseado em SDN em H-CRAN para atacar os desafios inerentes dessas redes.

Heterogeneous Cloud Radio Access Networks (H-CRAN) incorporate Heterogeneous Networks (HetNet) and Cloud Radio Access Networks (C-RAN) concepts for next-generation cellular networks. H-CRAN exploits the heterogeneity of macro and small cells from Het- Net, enabling cellular networks to achieve a higher spectral efficiency. Meanwhile, concepts from C-RAN involving baseband units and remote radio heads enable H-CRAN to insert a centralized point of processing for cellular networks, reducing capital and operational expenditures. Although H-CRAN brings several opportunities to cellular networks, it is not free from challenges. Among the different challenges existent, we highlight the most relevant ones, (a) high intercell interference; (b) critical latency constraints in long-distance wireless signal processing; and (c) poor allocation of processing resources. To address these challenges, we propose a Software-Defined Networking (SDN)-based decision-making system able to be programmatically changed to make decisions that can decrease interference, meet delay constraints, and mitigate processing underusage for long-term operation of an H-CRAN. By adding concepts of SDN with a simplified object-oriented API, it is possible to logically centralize the control of H-CRAN considering a pool of physically distributed equipment. The methodology employed to show the feasibility of the proposed approach is based on the development of a prototype that supports a wide range of decision algorithms. This prototype was evaluated in three case studies conducted on a simulated environment based on 3GPP specification for simulators. In the first case study, we evaluate the network overload implied by adding an SDNbased decision-making system to H-CRAN. Afterwards, a decision algorithm is executed to exploit resource sharing deciding which elements of an H-CRAN can be used by two operators interchangeably to reduce interference and increase spectrum efficiency at the spectrum level. The third case study shows that the distance between cloud and remote radio heads must be considered in processing power allocation decisions and also when assigning a virtual baseband unit to the cloud. Evaluating the case studies becomes clear the need of an SDN-based decision-making system in H-CRAN to address the inherent challenges of these networks.