User-centric ultra-dense networks for 5G: challenges, methodologies, and directions 论文阅读笔记

5G网络中，以用户为中心的超密集组网：挑战，方法的与方向

作为论文综述, 本人不是该论文的实际作者, 为了便于阐述内容，默认采用第一人称叙述方式。

Abstract

在本文中围绕**网络层面（network layer）主旨与去中心化方法（decentralized approach）**为基础构建了user-centric UDN (UUDN)体系模型。通过对现有技术局限性深入研究并结合UUDN需求本研究创新性地提出了一种突破传统"以网管人为中心"理念的新一代网络架构设计。
其中心内容主要涉及：

1. 基于网络层面与去中心化方法定义了user-centric UDN (UUDN)体系模型

2. 分析现有技术局限性并对UUDN功能需求展开深入探讨

3. 创新性地提出了一种突破传统"以网管人为中心"理念的新一代网络架构设计

4. 采用动态AP分组方案作为UUDN的核心组件，在用户迁移后可享受令人满意的网络服务。

5. 覆盖了移动性管理(mobility management)、资源管理(resource management)、干扰管理(interference management)以及安全措施。

6. 系统性能指标包括吞吐量（Throughput）、资源利用率（Resource Utilization）、用户体验（User Experience）以及能源效率（Energy Efficiency）。协同设计与联合优化是提升这些性能指标的关键因素。

7. 进一步探讨了UUDN未来发展方向的可能性。

Introduction

背景讨论：
1、移动网络与具体实例的应用显著地带来了人们生活方式的变化。
2、由于移动网络服务的繁荣发展，造成了流量数据大幅增长。（强调重要性）
3、未来的预测：

An increasing number of devices are increasingly integrated into mobile systems to support high-definition video content, 3D video experiences, virtual reality experiences, and augmented reality features.

4、移动流量的快速增长，5G网络的引出，关键特征（需求）分析：

One of the key requirements is characterized by very high levels of highly dense traffic in crowded urban areas and hotspots. In some typical scenarios, the area throughput requirement can attain a level as high as 20 terabits per second per square kilometer, equivalent to 20 megabits per second per square meter.

5、区域频谱效率 被确定为衡量未来移动网络在密集型通信场景下承载能力的重要指标之一，并由此决定系统的最大承载能力[4]。

6、增加系统容量(system capcity)的三种方法：

• 采用优化的调制方案配合增强的信道编码技术, 显著提升空气介质中的频谱效率（bits per second per Hertz）。
• 扩展可用的频谱资源以实现更高的传输性能。
• 缩小基 Station单元格尺寸以提升多路复用能力。

根据研究文献[5]所述，在1957年至2008年间无线网络容量较之前增长了数百万倍这一现象值得注意的是其中主要归因于两方面因素：一方面有25倍的增长源于更广域频谱的应用另一方面另有25倍的增长得益于先进空气界面设计的应用此外其余1600倍的增长则得益于细胞大小与传输距离缩减的结果

基于中国及国际组织的政策文件与新闻报道，在5G高吞吐量需求背景下

• 超密集接入点（APs）具备丰富的移动接入可能性
  • 多样的接入点组合为用户提供灵活的网络连接选择
  • 覆盖范围各异且采用多种无线接入技术的异构网络系统

从UDN到UUDN：

从1970年Bell实验室提出蜂窝式网络架构至今，在这一理念方面移动网络始终沿袭至今。

[10]研究表明，在5G及后续发展时期,宏局域网与局域网协同演进与协调将取代传统1G至4G的宏观蜂窝主导架构。

UDN for local

[5] V. Chandrasekhar等著，《Femtocell网络综述》，《IEEE通信杂志》第46卷第9期（2008年9月）第59至67页。
[10] S.Z.Chen和J.Zhao，《Terrestrial移动通信技术实现5G所需的条件与技术探讨》，《IEEE通信杂志》第52卷第5期（2014年5月）第36至43页。

本文工作：

1. 提出了UUDN:一种基于用户中心设计的网络架构,该架构打破了传统的蜂窝网络架构。
2. 指出了UUDN面临的挑战,并阐述了其实现架构。
3. 详细阐述了移动管理、资源管理和干扰管理相关内容,并着重讨论了系统安全的关键技术和保障措施。
4. 阐述了研究的主要成果,并对未来的工作进行了展望。

CONCEPT AND CHALLENGES OF UUDN

WHAT IS UUDN

UDN aims to guarantee ultra-high data rates for each user within indoor and hotspot areas, such as offices, densely populated neighborhoods, stadiums, and open-air gatherings.

UDN VS Traditional Celluar Network 主要区别

1、APs/BSs的密度：

• thousands in 1km^2 for UDN
• 3-5 in 1km^2 for Traditional

2、覆盖范围
UDN: 覆盖范围广的小型用户群体
Traditional: 传统的解决方案通常能够支持数百甚至上千活跃用户的规模

3、APs类型
UDN：various types of APs

• 微小细胞站点
  • 中继站（cell relay station）
  • 分布式远程射频头（Distributed Remote Radio Heads, RRHs）
  • 高性能用户设备（even user equipment, UE）

Traditional
macro BS

其他区别：

在研究领域中，我们关注包括异构化的网络架构、非均匀覆盖方案、可变回传机制以及宽频资源块等关键技术参数。这些因素共同决定了系统在超高速数据传输能力下的网络传输容量。

UUDN

定义：UUDN represents a type of wireless network where the AP density is equivalent to the user density.
特点：The network will dynamically organize an AP Grid (APG) to seamlessly provide services to users without any user intervention.
**需求：The system must intelligently recognize users' wireless communication environments and flexibly organize the required AP Grids and resources for service provision.

具体的主要特点

Networks are becoming increasingly intelligent, capable of autonomously assessing the terminal's capabilities, user requirements, and their radio environment. They then tailor knowledge information specifically for each user.

A Moving Network Follows the User

Whenever a mobile user moves, the device's APG automatically adjusts to facilitate their movement, marking a significant departure from conventional mobility management and handover procedures.

不同于传统网络系统，在用户完成移动操作后，该系统的重点在于确保网络稳定性和内容传输不受任何干扰。我的看法是，在这种环境下（即用户位置变化以及周围环境条件的变化），Intelligent Network可以根据用户的实时位置信息和环境数据进行动态调整。这种系统不仅能够根据用户的移动轨迹优化网络质量（即提升连接稳定性和响应速度），还能根据实时需求预测并优化APP的内容传输策略。

A Dynamical Network caters to the User
一个APG内的members are adaptable and capable of satisfying the user's service requests through collaborative data transmission flow. This enhances both spectral efficiency and user experience.

A Secure Communication Environment Provides Users with a Level of Assurance
Upon authentication of access points, the network ensures that newly added access points maintain the same level of security within the APG framework. Identity-based authentication results can seamlessly integrate into the APG framework, allowing for secure communication between network members.

CHALLENGES OF UUDN

Challenges of Network Architecture

自2004年12月起, 3GPP启动了无线接入网长期演进研究项目(LTE), 其中涵盖了 evolved-UTRA 和 E-UTRA 的接入技术以及 E-UTRAN 网络. 同时涉及面向全IP的核心网分组数据域项目的架构演变研究(SAE). 该组织致力于通过从无线接口延伸至核心网络的技术持续改进与强化, 以期在未来十年乃至更长时间内, 为运营商与用户的需求提供可靠的支持.

LTE/SAE说明

在这一架构下，网络端主要如图1所示5各部分组成：

HeNB(home environment node B)
local network gateway(L-GW)
mobility management entity (MME)
serving gateway(SGW)
packet data network gateway (PDN GW)

function of above entities can be found in [12]

[12]3GPP TS 33.401, "System architecture evolution state architecture); Security architecture (Release 12) ,", October 2014.

对于UUDN系统而言，在AP密度方面以及area throughput表现均显著超过4G的小细胞。此外，在针对用户的无线电环境进行智能检测以及提供动态服务方面，UUDN系统同样表现出色。在一般情况下，不同APs之间需要具备灵活的backhaul能力以确保网络性能。

为此，UUDN的架构相较于传统网络有了如下的挑战：

传统网络中的多个共功能模块包括服务控制平面（SCTP）与移动性控制平面（MCTP）主要集中在核心网（CN）中。
对于具有高吞吐量特性和密集接入点阵列（APs）的用户数据网络（UDN）来说，
这种集中化的架构会导致其运行效率不高。

This will result in increased communication overhead as well as extended data transmission delays between the Access Point (AP) and the Control Plane Node (CN).

• 用户层与控制层在高密度AP网络接口上的紧密耦合可能导致网络异构化出现困难。
  • 基于HeNB的传统蜂窝式架构不适宜于支持UUDN下的APG，并且需要预先接入管理以及资源管理。
  • 在上层程序中，无线电资源管理和移动管理功能未必能够方便地单独分布在每个AP上。
  • L-GW上的数据传输功能无法满足User-Centric服务的需求，在功能扩展方面也存在一定的局限性。

具体来看，UUDN的网络架构应该有如下的功能：

1. 支持高密度AP布置以及灵活的网络架构
2. 在新的系统架构中, 必须设置一个位于用户周围的移动锚点（mobility anchor）来实现动态AP组网, 并负责检测并优化用户的无线环境, 同时通过本地化的服务机制提升整体系统的协作效率和用户体验。
3. 必须配置一个靠近用户的移动锚点（mobility anchor）以实现动态AP分组, 并确保其能够快速响应并优化无线资源分配

Challenges of Mobility Management

由于如下的挑战，传统蜂窝系统的mobility management无法被用于UUDN：

• 在常规网络系统中采用固定配置模式运行且不受用户影响的位置域；相比之下，在UUDN架构下
• ，由于不规则覆盖范围以及错综复杂的AP邻区关系导致切换控制难度加大；基于此
• ，为了满足动态需求变化
• ，在UUDN架构下需根据用户的活动进行规划，并打造以用户体验为核心的无线服务方案；
• 同时
• ，为了提升整体性能
• ，在移动管理方面需整合资源管理和干扰协调机制以实现优化协同运作

基于此，在UUDN架构的基础上开发的移动管理方案能够提供一个非固定形态且动态变化的位置区域，并将其命名为虚拟位置空间。这种空间由APG模块构成，并用于实时跟踪用户的移动状态。在此背景下，则建议采用一种全新的切换控制策略以优化系统的响应效率

Challenges of Resource Management

Resource allocation assessment should rely upon users and their corresponding APGs rather than cells or APs.

• 资源分配需依据APG成员进行优化配置，并确保当前运行中的及新增流量不受影响。
• 就网络段而言，在用户需求超出可用资源时，则可通过多路复用技术提升系统吞吐量。
• 为用户提供服务的不再是单一的AP而是由组成的群组APG（简称为APGroup）。如何合理分配资源并均衡各AP之间的负载状况，则是满足用户需求的关键性问题尤其是当移动速度加快时。
• 在内部与用户之间建立合作机制（如中继节点与多点传输方案），则可能进一步提升系统的性能指标及资源利用率。

The resource allocation must adhere to the APG change, collaborative measures, and load balancing requirements in a flexible manner.

Challenges of Interference Management (干扰管理)

资源多路复用凭借其带来的更多访问机会，在UUDN环境中不仅增加了干扰数量，并且使其变得更加复杂。

• 在超密集环境中会产生大量干扰源：例如，在地下隧道中通信信号可能会经历更多的反射和散射路径, 从而使得 interference模型更加复杂。
• 减少 interference 和提高资源利用率之间存在权衡：二者无法同时达到最佳状态。
• 传统的指标如 interference coefficient 和 interference threshold 可能难以全面反映整体 interference 水平。
• 需要找到一个合适的指标来描述 interference 管理与 throughput 之间的关系, 同时与其他系统及参数之间的关系。

鉴于此，必须建立 新的干扰模型（interference model） 用于分析经典的无线传输场景。

ARCHITECTURE AND METHODOLOGY OF UUDN

DE-CELLULAR ARCHITECTURE AND FUNCTIONAL ENTITIES OF UUDN

重点：3 kinds of decoupling:
主要包含以下三种方式：
在无线电接入层面实现用户层与控制层之间的解耦；
在网络领域中实现了对控制与传输功能的分离；
以及完成了本地服务与其相关网络架构间的分离。

具体实现涉及四个关键功能：

功能作用：

• AP：涵盖数据层与控制层用于UE（用户体验端）的无线电接入信道系统。该系统可基于返回链路容量，在RF（射频）、PHY（物理层）、MAC（媒体访问控制）及IP层等功能基础上构建UUDN AP网络架构。
• LSC：负责将APG划分为单一用户服务的子中心或平台。
• LDC: 提供面向用户的平面功能集，在此之上整合高级处理逻辑以及动态管理AP通道的能力。
• NSC: 负责管理与用户相关的协议控制功能体系，具体包括认证、授权以及计费（AAA）机制，并支持复杂的移动性需求。
• NDC: 具备双重角色定位，在网络内部充当数据传输节点的角色

DYNAMIC APs GROUPING METHOD CORE FUNCTION OF UUDN

每个注册用户均拥有独一无二的动态AOG以及一个唯一的APG-ID号码。这些APG内容将被存入LSC系统中。大部分DAOGing流程将由LSC系统负责处理。其他复杂任务如身份验证和文件提交则由NSC团队进行处理。

DAPGing的 main processse:

特别关注当用户离开UUDN时的情况

UUDN的移动性管理

区别于传统蜂窝网络，UUDN的移动性管理主要体现在以下3个场景：

除了主要通过移动管理技术保障用户的使用体验，在UUDN协议下当无用户数据需要传输时，终端会处于空闲状态以节约电池资源。

JoInt OPTIMIZAtIon of resource MANAGEMENT And Interference control

资源管理与干扰管理的共同优化

在充分认识到用户的场景后，在线资源管理将综合考量干扰控制等关键要素，并特别关注以下几大因素：包括无线信道特性、网络资源利用情况以及用户行为特征等。

Resource Management的相关方向主要包括：

• 在该架构下对APG的资源进行优化配置，在其自身的基础上实现动态管理；同时，在UUDN框架下对APG内部的资源进行优化配置。
• 在APG框架下与用户之间的合作至关重要；同时，在团体内部的合作同样重要。
• 实现高效的APG刷新机制，并在用户移动跟踪期间动态地完成相应的资源重新分配。
• 采用间界的负载均衡管理策略实现对APG之间、APG内部以及用户之间的均衡管理。

UUDN下两种实现资源管理的方法：
1、当系统支持足够时，则能够实现资源的有效分配；反之，则可能需要采用APGs或用户间的博弈模型来解决资源分配问题。在此前提下，在网络层不需要参与资源分配过程这一条件要求算法具备高度的分布化特性及自适应能力；此外，在APs的实际运行中需要具备对空闲信道、干扰等级以及邻近AP状态等方面的高精度感知能力。
优点：能够实现本地化的资源管理并满足用户实时需求；缺点是实现过程具有较高的复杂度且对APs环境感知能力要求较高；
2、方法二则需要在网络层加入一定级别的控制功能；具体而言，在LSC中的本地控制单元需维护邻居区域内的可用资源列表（如可用资源池）；同时允许APs通过定期广播或专用请求等方式获取所需信息；当传输需求出现时(APG)则会从预先维护的资源池中选择合适的资源进行使用；LSC所维护的资源列表可能会根据实际需求进行相应的调整优化；若在资源分配过程中出现争用情况，则由LSC拥有最终的仲裁权以确保最优资源配置；缺点是在实际应用中确定邻居区域范围的具体划分较为困难；
3、结合干扰优化的传统干扰管理方式主要包括：干扰隐藏与干扰对齐机制结合同步交互协作及信令开销等多方面的优化设计；
在综合第一种方法时需要将干扰评估指标纳入谈判模式与环境感知模块中以提高整体系统性能表现；而当采用第二种方法时则需将干扰因素纳入LSC维护的可用资源列表内并细化其占用信息以便为APs提供更多元化的资源配置选项这要求实时掌握本地化资源配置状况的基础上需具备一定的数据采集能力以支持动态调整决策过程的设计需求；
4、为了达到综合优化目标在方案设计阶段还应考虑其它重要因素包括传输效率算法复杂度及信令开销等多维度指标之间的平衡关系以期达到全局最优配置效果的同时兼顾系统的可扩展性与实时响应能力要求

安全性

与专业关系不大，不做重点介绍。

结论与未来工作

• 用户、网络与服务，在时间和空间以及社会维度上共同呈现了核心特征和行为规范。
  在UUDN架构中，移动性行为被视作优化系统整体性能的关键考量。
• 在高密度部署中难以通过理想化的固定回传方案实现每个AP的有效连接。
  灵活的回程策略能够适应理想/非理想化的有线/无线回传需求，并对UUDN部署具有重要意义。
• 异构与协作网络体系面临着进一步深入研究的重要课题。应对这一挑战需要采用复杂多层架构、多RAT（多制式）技术和不规则覆盖方案。
• 在UUDN应用场景中使用毫米波频段通信可带来显著优势：其一，在如此高频段通信可带来极高的数据传输速率；其二，则能提供广泛频谱资源；此外还可能引入诸如波束成形、覆盖增强等新型技术手段。这些创新措施会对移动性管理、干扰管理以及无线资源分配等方面产生深远影响。
• 用户隐私保护措施的有效性将直接关系到整个网络的安全性和稳定性。