Resource allocation and management techniques for network slicing in WiFi networks

Abstract

Network slicing has recently been proposed as one of the main enablers for 5G networks; it is bound to cope with the increasing and heterogeneous performance requirements of these systems. To "slice'' a network is to partition a shared physical network into several self-contained logical pieces (slices) that can be tailored to offer different functional or performance requirements. Moreover, a key characteristic of the slicing paradigm is to provide resource isolation as well as an efficient use of resources. In this context, a slice is envisioned as an end-to-end virtual network which permits that the infrastructure operators lease their resources to service providers (tenants) through the dynamic, and on-demand, deployment of slices. Tenants may have complete control over the slice functions and resources, and employ them to satisfy their client’s demands. Recent works on slicing for Radio Access Networks (RANs) just focus on general architectures and frameworks for the management and instantiation of network slices avoiding details on how the slices are implemented and enforced in the wireless devices. Even more, while some techniques for slice enforcement already exist, most of them concentrate on cellular technologies, ignoring WiFi networks. Despite of their growing relevance and ubiquity, there are not many works addressing the challenges that appear when trying to apply slicing techniques over WiFi networks. In this scenario, this thesis contributes to the problem of slicing WiFi networks by proposing a solution to enforce and control slices in WiFi Access Points. The focus of this work is on a particular and complex variant of network slicing called QoS Slicing, in which slices have specific performance requirements. The main thesis contributions are divided in three: (1) a detailed analysis of the network slicing problem in RANs in general and in WiFi in particular, as well as a study and definition of the QoS Slicing problem, (2) a resource allocation model and mechanism for Wifi devices, and (3) a QoS Slicing solution to enforce and control slices with performance requirements in WiFi Access Points. Given the novelty of the slicing concept and the complexity of the problem, a detailed study of the slicing problem was performed providing a comprehensive definition of the slicing concept, as well as a classification of the slicing variants. It is also introduced the two main problems of slicing wireless resources: resource allocation and isolation. In the scope of those problems, this thesis contributes with a novel approach where the resource allocation problem is divided on two sub-tasks: Dynamic Resource Allocation, and Enforcement and Control. As a previous step to the construction of a QoS Slicing solution, it is proposed a novel method of proportionally distributing resources in WiFi networks, by means of the airtime. The proposed mechanism (called ATERR) is based on considering the airtime as the wireless resource to be shared and allocated. An analytical model of the ATERR algorithm is also developed, which shed light on how such resources could be split and on the capacities and limitations of the proposal. The validity of the proposed model is assessed by means of a simulation-based evaluation on the NS-3 framework. Finally, regarding the QoS Slicing problem, it is considered two different performance requirements: a guaranteed minimum bit rate and a maximum allowable delay. The resource allocation problem to the different slices is formulated as a stochastic optimization problem, where each slice's requirement of bit rate and delay is modeled as a constraint. A solution to the aforementioned problem is devised using the Lyapunov drift optimization theory to obtain an approximate deterministic problem. With this solution, it is developed a novel queuing and scheduling algorithm which allows implementing the obtained solution in WiFi devices.

Network slicing ha estat recentment proposat com un dels aspectes claus de les xarxes 5G i s'espera que permeti afrontar les creixents demandes de rendiment que tindran aquests sistemes. Fer slicing consisteix en fer particions d'una xarxa física compartida en diverses parts (slices) lògiques autocontenidas que poden ser adaptades per oferir diferents requeriments funcionals o de rendiment. Més encara, una característica clau del paradigma de slicing és el de proveir aïllament dels recursos així com permetre un ús eficient dels mateixos. En aquest context, una slice es pot considerar com una xarxa virtual d'extrem a extrem que permet als operadors d'infraestructura arrendar els seus recursos a proveïdors de servei (arrendatari) mitjançant el desplegament dinàmic i sota demanda de slices. Els arrendataris poden tenir control complet sobre els recursos i funcions de la slice i utilitzar-los per satisfer les demandes dels seus clients. Treballs recents sobre slicing en xarxes d'accés sense fil s'han enfocat en arquitectures generals i esquemes de gestió per al desplegament de slicing. En aquest sentit, no s'ha aprofundit en detalls de com s'implementen i controlen les slices en els dispositius sense fils. A més, encara hi ha algunes tècniques per al control de slices, la majoria es concentren en tecnologies per a xarxes mòbils i no tenen en compte les xarxes WiFi malgrat la seva creixent rellevància i omnipresència. En aquest escenari, aquesta tesi contribueix al problema de slicing en xarxes WiFi proposant una solució per implementar i controlar slices en punts d'accés WiFi. El treball es concentra en slicing amb qualitat de servei (QoS Slicing), una variant complexa del problema on les slices tenen requeriments de rendiment específics. Les principals contribucions de la tesi es divideixen en tres: (1) una detallada anàlisi del problema de network slicing en xarxes d'accés sense fil i en particular en WiFi, així com un estudi i definició dels problemes de QoS Slicing, (2) un model i mecanisme per a l'assignació de recursos en dispositius WiFi, i (3) una solució per QoS Slicing que implementa i controla slices amb requeriments de rendiment en punts d'accés WiFi. Donada la novetat del concepte de slicing i la complexitat del problema, es va realitzar un estudi detallat del problema de slicing on es proveeix una definició completa del concepte de slicing. A més, s'introdueixen els dos principals problemes del slicing: l'assignació de recursos i l'aïllament. En aquest sentit, aquesta tesi contribueix amb una estratègia original on el problema d'assignació de recursos es divideix en dues tasques: l'assignació dinàmica de recursos i el control de l'assignació. Com un pas previ a la construcció d'una solució per QoS Slicing, es proposa un mètode original per a la distribució proporcional de recursos en xarxes WiFi mitjançant el control del temps de transmissió. El mecanisme proposat (anomenat ATERR) es basa en considerar el temps de transmissió com el recurs a ser compartit i assignat. També es va desenvolupar un model analític de l'algoritme ATERR del qual es poden obtenir les capacitats i limitacions del mecanisme. La validesa del model proposat és estudiada mitjançant una avaluació basada en simulacions sobre l'entorn NS-3. Finalment, pel que fa al problema de QoS Slicing, es van considerar dos requeriments diferents: una garantia de taxa de transmissió mínima i un màxim de latència permès. El problema d'assignació de recursos per a les diferents slices es va formular com un problema d'optimització estocàstica on els requeriments de cada slice es modelen com una restricció. Es va elaborar una solució al problema anterior utilitzant la teoria d'optimització de Lyapunov per obtenir un problema determinista aproximat. Amb aquesta solució, es va desenvolupar un algoritme d'assignació del temps de transmissió per a dispositius WiFi.