Enforcing radio access network slicing in virtualized 5G systems

The notions of softwarization and virtualization of the radio access network (RAN) of next-generation (5G) wireless systems are ushering in a vision where applications and services are physically decoupled from devices and network infrastructure. This crucial aspect will ultimately enable the dynamic deployment of heterogeneous services by different network operators over the same physical infrastructure. RAN slicing is a form of 5G virtualization that allows network infrastructure owners to dynamically “slice" and “serve" their network resources (i.e., spectrum, power, antennas, among others) to different mobile virtual network operators (MVNOs), according to their current needs. Once the slicing policy (i.e., the percentage of resources assigned to each MVNO) has been computed, a major challenge is how to allocate spectrum resources to MVNOs in such a way that (i) the slicing policy defined by the network owner is enforced; and (ii) the interference among different MVNOs is minimized. In this thesis, we mathematically formalize the RAN slicing enforcement problem (RSEP) and demonstrate its NP-hardness. For this reason, we design three approximation algorithms that render the solution scalable as the RSEP increases in size. We extensively evaluate their performance through simulations and experiments on a testbed made up of 8 software-defined radios (SDRs) peripherals. Further, we describe in detail the implementation on SDR of the algorithms. Experimental results reveal that not only do our algorithms enforce the slicing policies, but can also double the total network throughput when intra-MVNO power control policies are used in conjunction.

Il processo di "virtualizzazione" e "softwarizzazione" delle Radio Access Network (RAN) dei futuri sistemi di comunicazione wireless (5G) sta trasformando la logica delle connessioni introducendo il concetto di condivisione delle risorse. In particolare, al di sopra della stessa infrastruttura fisica vengono implementati strati logici al fine di ottimizzare la gestione delle risorse all’interno della rete. Conseguentemente, applicazioni e servizi sono fisicamente scissi dai dispositivi e dall’infrastruttura di rete. Il RAN slicing è una forma di virtualizzazione 5G che permette al proprietario dell’infrastruttura di rete di creare e assegnare dinamicamente porzioni di rete ("slices") a diversi Mobile Virtual Network Operators (MVNOs) secondo i bisogni di questi. Ogni "fetta" è costituita da risorse di rete quali potenza di trasmissione, numero di antenne, porzione di spettro e molti altri parametri da configurare nel sistema per la realizzazione della comunicazione. Non appena la politica di come "affettare" la rete (la percentuale di risorse assegnata ad ogni MVNO) è stata calcolata, il compito più difficile diventa quello di come allocare le risorse nello spettro ad ogni MVNO in modo che (i) le risorse di rete per ogni MVNO siano effettivamente assegnate secondo la politica pre-calcolata; (ii) l’interferenza tra i MVNOs sia minimizzata. In questo lavoro di tesi, modellizziamo il problema di applicare realmente ("enforcing") l’assegnazione di risorse ai singoli MVNOs (RSEP) e dimostriamo la sua complessità NP-hard. A tal fine, sviluppiamo tre algoritmi che rendono la soluzione scalabile all’aumento della complessità del problema. Di seguito, valutiamo le performance di ogni algoritmo, teoricamente e attraverso simulazioni reali. In particolare, descriviamo la fase di implementazione delle soluzioni su Software Defined Radios e, successivamente, la fase di test realizzata attraverso l’utilizzo di 8 Software Defined Radios simulando lo scenario di una RAN. I risultati sperimentali rivelano non solo che gli algoritmi sviluppati realizzano l’enforcing delle politiche di assegnazione di risorse ma possono anche raddoppiare il throughput della rete sfruttando allo stesso tempo i vantaggi del controllo di potenza di trasmissione coordinando le stazioni interferenti.