[論文筆記]User-Centric Ultra-Dense Networks for 5G: Challenges , Methodologies, and Directions

前言

本文是我所作的第四篇論文筆記，前三篇都是按照“翻譯--筆記”的模式進行，本篇將跳過翻譯環節直接進行論文的筆記摘錄。原因有以下幾點：1.翻譯步驟對內容理解很有限，理解主要在筆記環節完成；2.雖然翻譯在整個環節中用時不多（差不多1/4-1/3），但目前追求更高的效率；3.目前的想法是與其對一篇文章消化75%，不如對多篇文章消化50%，因此將效率擺在了更高的位置；4.盡力時不時對自己的學習方法所出新的嘗試和改進。

期望完成時間爲兩天：3/20 10:13 --->  3/21 23:00

摘要

UDN（Ultra-dense networking， 超密集網絡）是基於5G架構的一個有前景的技術。本文定義了UUDN（user-centric UDN，用戶中心式超密集網絡），它突破了傳統網絡控制單元的蜂窩網結構。對其的介紹有以下幾點：1.介紹UUDN用戶服務的思想；2. “去蜂窩化”方法；3.UUDN的挑戰和需求；4.UUDN的核心功能：動態AP分組，這可以讓用戶體驗到可以跟隨他移動的通信服務。

此外，還提供了UUDN的：1.移動性管理；2.資源管理；3.干擾控制；4.安全問題的解決方法。注意：這些功能需要被聯合設計和同步優化，以保證系統整體可以保證系統在資源利用、用戶體驗、功耗上性能優異。

介紹

背景：1.全球範圍移動設備通信量激增；2.未來有更多設備需要加入移動通信系統如：VR、AR等。這導致在城市熱點地區通信密度大（如可能超過20Mb/s/） -> 對頻譜利用與和系統容量要求大 -> 增大系統容量的方法：1.通過更好的調製方法和信道編碼增大空口頻譜利用率；2.增加可用頻譜帶寬；3.通過減小cell面積來使頻譜重用。  

2008年無線通信信道的容量已經是1957年的一百萬倍，其中頻譜的擴展貢獻了15倍，先進的空口設計貢獻了15倍，而減小cell和傳輸距離貢獻了1600倍。從技術發展來看，調製技術的改進空間很小。因此增加AP的密度、減小每個AP的負責範圍是最有效的改善信道容量的方法。對於室內和熱點區域，中國推行LTE-Hi，小cell增強使3GPP R12文件最重要的特點。UDN是滿足5G高通過量的重要技術。

UDN有以下特徵：1.AP密度高，提供大量移動接入機會；2.AP的種類多，網絡連接選擇多；3.異構網絡種類多 -> 可選擇的不同的覆蓋範圍和多接入技術（RATs）

5G的宏觀-局部共存/協調的架構 將取代 1G-4G的宏蜂窩架構。UDN是5G應用於局部區域通信的方案。

本文：1.提出UDNN；2.指出了UDNN的挑戰；3.介紹UDNN的結構；4.提出了移動管理、資源管理、干擾控制、安全控制的一種新方法。

UUDN的概念和挑戰

什麼是UUDN?

【UDN與傳統蜂窩網的區別】

UDN可以對局部區域（比如辦公室、密集居住區等）的每個用戶提供超高的數據率。而傳統蜂窩系統通常爲更廣的區域提供服務。UDN和傳統蜂窩網的區別總結在表1。

他倆的最主要區別是AP或者BS（基站）的密度：前者1 有幾千個AP但後者最多隻有3個。這導致：單個AP服務的用戶數量不同，前者1個或幾個而後者成百上千個。

RRHs：Remote radio heads ，遠端無線電頭，用來擴展無線網絡覆蓋範圍的組件，通過基站組件或光纜與網絡連接

AP的種類數不同。UDN中，小型蜂窩站、轉播站、RRHs（small cell stations）、UEs（用戶設備）都可以充當APs。傳統蜂窩網絡中，宏BS是主要AP。【這裏感覺是UDN將AP的功能擴展到更多設備中了】

此外，異構拓撲、不規則覆蓋、靈活的回程、頻帶範圍、低移動新、高數據速率和流量也是兩者的不同。

【定義UUDN】

APG：AP Group，AP組，是指爲一個用戶提供服務的一組AP的總稱

 本文中，我們通過1.以服務用戶爲核心；2.“解蜂窩”來定義一個新的架構：UUDN。它有以下特點：1.AP密度和用戶密度相當；2.網絡將動態地組織多個AP爲一個用戶服務（無需用戶參與），用戶只感覺有一個網絡一直跟隨他所以稱作“user-centric”。因此要求網絡能識別用戶的通信環境並且靈活地組織AP和資源來提供服務。

UUDN的主要特點整理如下：

1. 瞭解用戶：網絡可以檢測終端的性能、用戶需求、無線環境。
2. 跟隨用戶：用戶移動時，APG的成員AP根據用戶的位置動態調整，這與傳統的移動性管理和handover不同。
3. 動態的網絡服務：APG的成員會根據用戶服務需求變化，AP將協同提供服務來增加頻譜效率和用戶體驗
4. 更加安全：當AP加入APG時會，通過AP身份驗證和UE網絡授權保障安全。

UUDN的挑戰

【家用3GPP架構】

CN：在這裏指Core Network，核心網

在4G LTE/SAE框架下，典型的家用3GPP架構存在HeNB（home evolved Node B），如下圖。這個架構中，網絡側主要有五個實體：HeNB、LGW（本地網關）、MME（移動管理實體）、SGW（服務網關）、PDN GW(PDN網關)。它們的功能見文獻[12]。HeNB除了覆蓋範圍小以外和傳統宏BS的幾乎功能一樣。用戶的控制面和數據面都由CN管理。

UUDN中，AP密度和區域吞吐量比4G小cell大得多。這個網絡將提供對用戶無線環境的智能測量並動態的提供服務。

在典型場景中，各自的backhaul將會支持各自種類的AP。爲了實現UUDN的特點，傳統網絡的結構有以下挑戰：

1. 許多服務控制和移動控制的功能都集中在CN（核心網）中。因爲UDN大吞吐量和超密集AP，這種架構下，不足：AP和CN之間的信令開銷大、信息傳輸延遲高。
2. 空口數據面和控制面緊耦合。因爲UDNAP密度大，不足：給異構網絡增加困難。
3. 不足：HeNB無法支持UUDN的APG、先進的接口管理、資源管理。在每個AP部署以下功能很困難：1.高層進程、無線資源管理、移動性管理。
4. 不足：目前的LGW的數據傳輸功能不支持用戶中心式服務。LGW需要支持更多功能

因此，我們的新架構UUDN有以下特點：1.支持高密度AP部署；2.靈活的組網。有以下功能：1.本地服務中心可測量用戶的無線環境、提供更改好的QoS控制和數據聯合處理；2.通過靠近用戶的移動anchor來支持動態的AP分組；3.簡化CN。

【移動性支持的挑戰】

傳統的蜂窩網也有移動性管理方法，但不適用於UUDN，理由如下：

• 傳統網絡中的定位分區：1.靜態配置的；2.與用戶不關聯。因此定位管理需要從靜態AP規劃調整爲動態AP協同實現。
• 傳統網絡的切換控制不再適用，因爲：1.AP覆蓋不規則；2.AP鄰域的關係變得複雜；3.AP種類不同導致切換過程複雜。
• 爲了複雜的無線環境下提供用戶中心式服務，UUDN需要通過跟隨用戶的行爲（比如運動和需要的服務）。因此移動性管理應該和資源管理、干擾管理聯合優化

總結：UUDN的移動性管理需要提供一個 無定形、動態、虛擬的區域劃分方法，這個區域1.由APG構成；2.可跟隨用戶移動。還需要一個適用這種新的區域的區間切換方法。

【資源管理的挑戰】

UDNN的資源管理方法需要：1.基於用戶和對應的APGs而不是傳統網絡的cell或AP；2.不同的應用和需求->更大的帶寬、其各自不同的QoS需求。總結複雜的通信環境的挑戰如下：

• 資源分配應該適應APG成員的變動，並且不影響正在進行的通信和即將到達的數據。
• AP密度的快讀增長，從用戶視角看：接入機會、帶寬、其他資源也會增加；但從網絡側看：可使用資源無法和用戶需求匹配。這種情況下，可以通過複用提高吞吐量。資源管理要靈活。
• APG與單個AP不同，如何在用戶高速運動的情況下，控制一組AP協同分配資源並平衡負載是個問題
• 通過APG和用戶協同（比如中繼和多點傳輸），可能會對改善系統性能和資源配置帶來優化。

總結：UUDN的資源分配面對的主要挑戰有：1.高AP密度；2.跟隨APG的變動、協作；3.提供更靈活的負載平衡

【接口管理的挑戰】

有以下問題：

• 環境終端、AP分佈密集 -> 信號反射和散射路徑多 -> 接口模型會更加複雜
•  增加資源利用和降低干擾無法兩全，需要折衷
• 傳統的用於評估干擾的參數無法將整體干擾測量 和 網絡的控制表現展示出來。因此需要一個更合適的參數，以便評估干擾管理的效果、吞吐量、能源效率和其他系統級參數。

UUDN的結構和方法

UUDN的De-Cellular結構和功能實體

【理念】網絡控制者 -> 網絡服務者

三種解耦合方法：1.從無線接入視角的用戶面解耦合和控制面解耦合；2.從網絡視角的控制和傳輸的解耦合；3.本地服務和網絡服務的解耦合

基於這個理念，UUDN架構適用非蜂窩的方法，如圖2所示。對這個架構的幾點說明：1.對用戶來說，不再有邏輯和物理層面的的cell；一個area內密集的AP將會智能地組織起來，進而跟隨用戶的運動和提供數據傳輸。

介紹架構中的四個功能性實體（如表二）

無線側：LSC（本地服務中心）、LDC（本地數據中心）。用以提供控制面和用戶面的邏輯解耦合。所有AP通過各自的backhaul（回程線路）連接到LSC和LDC

網絡側：NSC（網絡服務中心）、NDC（網絡數據中心）。用以體哦概念股控制和傳輸功能。

LSC、LDC可以作爲一個物理實體整合到本地接入服務器中，NSC、NDC也可以整合到一個CN（核心網）實體中

【功能和接口說明】

• AP是UE的無線接入通道，這個接入包括數據面和用戶面。AP由 RF、PHY、MAC、IP層組成或者在回程線路的基礎上將他們組合起來。如果AP只有RF，那麼PHY層到IIP層會被集成到LDC中，這種情況下的LDC可以在PYH層提供聯合式進程。可以使用先進的信號處理方法防止AP間的干擾。爲了提供聯合無線資源管理和無線鏈路管理，每個用戶的控制面控制面將集中在LSC。
• LSC是組織APG服務用戶的控制中心。以下功能也將部署在LSC上：用戶中心式無線資源管理、多RAT協調、有效QoS控制、用戶中心式移動管理、本地無線鏈路控制
• LDC控制用戶面。認證、授權和計費（AAA）、高級移動性控制（漫遊、NSC內的切換）等
• NDC作爲數據網關

在這個架構中：1.LSC和LDC相當靠近AP，這樣是爲了便於提供用戶中心式服務、資源管理、干擾控制；2.用戶面和控制面解耦-> UUDN的部署變得更加靈活、CN的功能也部署到了LSC和LDC上；3.信令和回程的開銷在這個結構中也被將大大降低了。

【關於異構網絡】UUDN可以通過以下兩種方式與傳統蜂窩王共存：

1. 宏蜂窩BS作控制面功能；UUDN作數據面
2. LSC和LDC實體作爲宏蜂窩網BS的功能，UUDN和宏蜂窩系統可以由更緊密的耦合。比如他們可以對一個用戶在MAC層提供雙重的連接。

動態AP分組方法 UUDN的核心功能

介紹一個動態的AP分組方法，它是基於一個移動性驅動的網絡（組網時用戶的移動性是一個關鍵驅動因素）提出的。

每一個註冊用戶有一個唯一的動態APG和一個唯一APG-ID。APG上下文將存儲在LSC中，大多數DAP分組過程將會在那個LSC中進行。一些高級進程（比如身份驗證和切換）由NSC管理。

DAP分組過程：1.APC初始化；2.APC成員更新；3.APG切換；4.APC檢測。如下所示

 【APC初始化】

由NSC創建、LSC維持，即便用戶與網絡斷開連接，APG仍會跟隨用戶併爲之提供服務

【APC成員更新】

APG建立後，其成員將會根據用戶的移動和無線環境動態更新。當用戶移動是，APG成員可能會相應變化，而這無需用戶參與。當用戶精緻，APG的成員跟隨無線環境的變化而變化。AP的開關也會導致APG成員變動。

【APG切換】

當用戶從一個LSC移出時，APG將會從那個LSC切換到另一個不同的NSC的LSC中

【APC檢測】

當用戶解除與UUDN的連接時，APG將會被刪除。

分組與以下流程相關：移動性管理、資源管理、干擾管理。同時分組的安全性也需要考慮。

UUDN的移動性管理

本架構中，網絡將跟隨用戶移動。分組使移動性管理與傳統網絡的移動新管理（通常指cell間的切換）有所不同，這裏給出三種移動性管理的方案（如圖三所示）

• 對於LSC和LSC內的移動，僅對由無線承載的終端進行APG成員的刷新，APG-ID不變
• NSC內部的移動，假設APG-ID在一個NSC中是唯一的，APG應從一個LSC轉移到與一另個NSC相連的LSC
• NSC內部的移動或UUDN和傳統蜂窩網之間的移動，應進行APG切換。比如：從一個NSC到另一個NSC or 從一個NSC到另一個傳統蜂窩網。

分組過程中，一個APG-ID代表一個APG。每個終端連接UUDN時獲得一個唯一APG-ID。 

圖4展示了典型DAP分組的場景。用戶A和B在t1、t2兩個時間點，其各自的APG都發生了變化，A中APG的變化來自於他的移動；B中APG的變化來自於資源分配的變動。

 UUDN中，當沒有用戶數據需要傳輸時終端進入空閒模式來省電。當移動中止服務到來時有兩個方法可以到達空閒模式的終端：

1.終端週期性的檢查終端是否在其APG的覆蓋範圍內。如出範圍了，終端上傳自己的位置到網絡並且觸發APG更新。這種情況下當前終端的APG-ID和它的AP成員信息存儲在網絡（的NSC）中。當移動終止服務到達時，觸發漫遊（paging），漫遊信息被傳送到當前APG-ID的AP中，從而讓AP廣播可感知到的終端。這個方法基本上沿用了當前蜂窩系統的思想，已經被證明具有相當程度的信令效率。

2.終端週期性發送導頻信號到網絡，從更新其在網絡中的定位數據。這種更新將會導致APG的更新。當移動終止的信息到達時，網絡與終端直接通信，而省去了傳統的漫遊過程。此方法導致終端功耗增大但響應更快。# 3.20晚

資源管理和干擾控制的聯合優化方法

有效識別用戶所處環境的後，資源管理需要將干擾控制和其他關鍵因素（如：無線信道資源、網絡資源、用戶移動性、負載的特點等）協同考慮。相對的方向可以也是重要的因素，但並不侷限於以下幾點：

1. APG間的資源分配

2. APG、用戶、AP間的協同。APG內部的協同

3. 根據用戶移動，進行APG的快速更新和資源得重分配

4. APG間負載平衡，對於APG內部和用戶之間

下面，將通過兩種不同的方法、從用戶面和網絡面分析可能的優化方法。

【1】當終端可提供的的資源和功能充足時，資源分配將會分配完全。否則將引入談判模型（比如在APG或者用戶間的博弈論）。在這種方法下，網絡側將不會加入資源分配進程，這意味着算法應該完全地分佈式且可調整。AP也應該可以感知以下要素：1.空閒信道；2.干擾等級；2.附近AP的狀態。這種方法的好處：1.本地資源管理的高效率；2.用戶需求的實時性滿足。缺點爲：1.進程很複雜 -> 影響資源分配的效率；2.對於AP的環境認知能力有很大要求。

【2】這種方法需要網絡側參與並提供中央控制功能。本地控制單元在鄰近區域內維護一個資源列表（如：空閒的資源池等）。AP經過週期性廣播或者特定的請求獲取信息。當有傳輸的需求時：1.APG將從池中選擇合適的資源；2.資源列表根據LSC的選擇進行同步更新。如果資源分配過程中發生了爭奪，LSC進行仲裁。這種方法的好處：1.資源管理可以通過避免爭奪的發生；2.減小干擾。缺點爲：1.在實際應用中，資源列表的臨近區是很難確定的。

綜上，當我們聯合處理干擾控制問題時，情況會很複雜。傳統的干擾管理包括：1.隱藏和干擾對齊；2.與同步互動；3.信號切換。與上面提到的兩個資源分配方法相對應，將干擾控制加到其中。【對第一種方法】將干擾評估模型添加到協商方案和環境感知程序中。這些模型函須在UUDN場景中進行研究，並且他們可能直接影響資源分配的結果。【對第二種方法】干擾可能會影響：1.資源列表的項目/條目；2.鄰居的已佔用資源。這需要對本地資源的信息進行有效並實時的收集。

當我們考慮資源控制和干擾控制的聯合優化時，其他因素也應該被考慮在內：1.傳輸有效性、算法複雜度、信號切換等。

安全性

UUDN的安全性關乎APG的服務對象。安全模型的設計應設計以下幾點：

1. 加入APG的AP必須由網絡進行身份驗證。UUDN爲UE和其他APG的成員提供新的安全保證
2. 【APG刷新時】需要一個更加靈活的身份驗證機制。UE接入APG時應使用相互認證，並且認證結果在APG中得到記錄，以便APG的其他成員可以識別它。
3. UE應該向APG申請身份驗證而非AP。在APG和UE之間生成加密密鑰和完整性密鑰，但在APG內不可以簡單地分享密鑰。增強的密鑰機制應做到：1.通過繼承或共享密鑰seed來保證UE和APG成員的安全性；2.當UE接入/離開APG時，應生成/撤銷兩個密鑰。
4. 在計算成本的約束下，安全模型的選擇在通信質量和授權效率之間進行折衷。文獻[15]指出：對AKA協議信號的分析可以減小認證信號的負載。

UUDN中新的安全模式可以提供：1.“經過認證的虛擬社區”；2.對移動用戶進行跟隨和服務的安全的網絡環境。APG將提供輕量級和科技城的身份驗證服務。當一個UE通過APG中一個AP的認證時，它可以APG的所有成員接受。

基於這個方法，我們可以提供在APG成員更新時提供“伴隨式”的認證服務，以保證高速通信是不會被中斷。

總結

我們提出的UUDN有一些特點：1.用戶中心式；2.解蜂窩架構；3.服務中心和數據中心採用本地側和網絡側的兩級架構；4.分組時UUDN的核心功能，它與用戶中心式移動管理功能接近，對資源控制干擾控制的聯合優化有直接影響。

結論和未來工作

UDN是5G的解決方案之一。基於對UDN特點和典型場景的分析，我們提出了UUDN，它使用了去蜂窩化的方法。我們討論了UUDN的關鍵問題：1.網絡架構；2.干擾管理；3.資源管理；4.移動性管理；5.安全問題。也提供了一種可能的解決方案，即便這樣UUDN中仍有許多問題需要詳細討論。

【未來的工作】除了文中提到的問題外，列舉關於UUDN的其他有研究價值的領域：

1. 【對於用戶、網絡、服務】移動行爲可以在時間和社會層面提供基本的特徵和規則。可以從移動下手優化系統性能。

2. 【對於AP的超密集部署】通過普通的優先回城連接所有AP是很困難的。期望一個支持 理想/非理想 有線/無線 的靈活的回程方案，以保證UUDN的順利部署。

3. 【對於異構網】異構和協作網絡也是個問題。支持UUDN以複雜的多層方案、多RAT和不規則覆蓋。

在UUDN的場景中，毫米波頻帶的使用可以提高高數據率。而高頻帶的使用也會帶來很多新的變化，比如：波束賦形、負載增強、高低頻帶網絡的整合等。這些將影響移動管理、干擾管理、無線資源管理。

用戶的隱私也是個關鍵問題。用戶身份驗證的方式對保護用戶的隱私至關重要，需要多種輕量和集中的安全技術。對UUDN來說，輕量化身份驗證並與其他安全安全技術一起提供一個端到端的安全方案是很重要的

 

Reference

[12]3GPP TS 33.401, “3GPP System Architecture Evolution (SAE); Security Architecture (Release 12) ,” Oct. 2014.