A slicing resources management framework based on a dynamic market of radio resources

One innovation brought about by 5G is Network Slicing, which allows multiple slices, that is to say virtual end-to-end networks, to be created on top of a shared physical infrastructure. In this context, radio resources allocation at the slice level becomes critical, given the scarcity of radio resources and the different slice requirements. Legacy solutions such as static allocation and over-provisioning are not particularly efficient, due to loss of pooling gains, nor very reliable due variable radio channel conditions and traffic. We propose a Slice Management Framework according to which the shared resources are negotiated in a short-time resource market mechanism, where tenants are allowed to buy radio resource shares to be directly allocated to their slices. This allows tenant to optimize their service strategies while minimizing unnecessary expenditures, by acquiring resources when and where it is necessary, according to the level of quality and reliability requested by the specific type of slice service that they want to deploy, as well as economic considerations based on their business model. We have modeled this mechanism using Game Theory: analyzing the theoretical features of this market game, we have proven the existence of a Nash equilibrium independently of the exogenous parameters. We have designed a fast distributed algorithm and we have mathematically shown that it always converges to an equilibrium point of the market. Finally, we have simulated this algorithm in various scenarios and the numerical results show that the system behaves as predicted and that it is capable to successfully adapt allocations to variations in network conditions and other parameters.

Uno dei tanti aspetti innovativi che caratterizza le reti 5G risiede nella possibilità di operare diverse slices, vale a dire reti virtuali end-to-end, su un'unica infrastruttura fisica condivisa. Questo concetto è chiamato Network Slicing e porta con se delle criticità nell'ambito dell'allocazione e gestione delle risorse delle slices nel segmento di rete dell'accesso radio, data la scarsa disponibilità delle risorse radio e i contrastanti requisiti delle diverse slices. Le soluzioni tradizionali, quali allocazione statica oppure over-provisioning, non sono particolarmente efficienti né affidabili, rispettivamente, per via della loro tendenza a non sfruttare a pieno i guadagni generati dalla condivisione e a causa della natura variabile del canale radio. In questa tesi, proponiamo uno Slice Management Framework in cui le risorse condivise sono rinegoziate in un mercato delle risorse, dove i tenants possono acquistarne una porzione da essere allocata alle loro slices. Questo permette ai tenants di ottimizzare le loro strategie in termini di servizio offerto e minimizzare gli sprechi economici, acquistando risorse esclusivamente dove e quando necessarie, in accordo sia con il livello di qualità e affidabilità che vogliono offrire all'interno delle loro slices, che con considerazioni economiche legate al loro business model. Tramite gli strumenti di Game Theory, abbiamo modellato questo meccanismo da un punto di vista teorico, analizzandone le caratteristiche e provando l'esistenza di un equilibrio di Nash, indipendentemente dai possibili fattori esogeni. Abbiamo progettato un algoritmo distribuito e veloce e provato che converge sempre a un punto di equilibrio. Infine, abbiamo simulato questo algoritmo in diversi scenari e i risultati numerici mostrano che il sistema si comporta come previsto, essendo capace di adattare efficacemente le allocazioni alle variazioni delle condizioni di rete e altri parametri.