Coordinating Coupled Self-Organized Network Functions in Cellular Radio Networks

Mwanje, Stephen Ssekiranda GND

Nutzer der Mobilfunknetze wünschen und fordern eine Steigerung des Datendurchsatzes, die zur Erhöhung der Netzlast führt. Besonders seit der Einführung von LTE erhöht sich daher die Anzahl und Dichte der Zellen in Mobilfunknetzen. Dies führt zusätzlich zur Zunahme der Investitions- und Betriebskosten, sowie einer höheren Komplexität des Nerzbetriebs. Der Einsatz selbstorganisierter Netze (SONs) wird vorgeschlagen, um diese drei Herausforderungen zu bewältigen. Einige SON-Funktionen (SF) wurden sowohl von Seiten der Netzbetreiber als auch von den Standardisierungsgremien vorgeschlagen. Eine SF repräsentiert hierbei eine Netzfunktion, die automatisiert werden kann. Ein Beispiel ist die Optimierung der Robustheit des Netzes (Mobility Robustness Optimization, MRO) oder der Lastausgleich zwischen Funkzellen (Mobility Load Balancing, MLB). Die unterschiedlichen SON-Funktionen werden innerhalb eines Mobilfunknetzes eingesetzt, wobei sie dabei häufig gleiche oder voneinander abhängige Parameter optimieren. Zwangsläufig treten daher beim Einsatz paralleler SON-Funktionen Konflikte auf, die Mechanismen erfordern, um diese Konflikte aufzulösen oder zu minimieren. In dieser Dissertation werden Lösungen aufgezeigt und untersucht, um die Koordination der SON-Funktionen zu automatisieren und, soweit möglich, gleichmä{\ss}ig zu verteilen. Im ersten Teil werden grundsätzliche Entwürfe für SFs evaluiert, um die SON-Koordination zu vereinfachen. Basierend auf der Beobachtung, dass die Steurung der SON-Funktion sich ähnlich dem generischen Q-Learning Problem verhält, werden die SFs als Q-Learning-Agenten entworfen. Dieser Ansatz wurde mit sehr positiven Ergebnissen auf zwei SFs (MRO und MLB) angewandt. Die als Q-Learning-Agenten entworfenen SFs werden für zwei unterschiedliche Ansätze der SON-Koordination evaluiert. Beide Koordinierungsansätze betrachten dabei die SON-Umgebung als ein Multi-Agenten-System. Der erste Ansatz basierend auf einer räumlich-zeitlichen Entkoppelung separiert die Ausführung von SF-Instanzen sowohl räumlich als auch zeitlich, um die Konflikte zwischen den SF-Instanzen zu minimieren. Der zweite Ansatz wendet kooperatives Lernen in Multi-Agenten-Systemen als automatisierten Lösungsansatz zur SON-Koordination an. Die einzelnen SF-Instanzen lernen anhand von Utility-Werten, die sowohl die eigenen Metriken als auch die Metriken der Peer-SF-Instanzen auswerten. Die Intention dabei ist, durch die erlernte Zustands-Aktions-Strategie Aktionen auszuführen, die das beste Resultat für die aktive SF, aber auch die geringste Auswirkung auf Peer-SFs gewährleisten. In der Evaluation des MRO-MLB-Konflikts zeigten beide Koordinierungsansätze sehr gute Resultate.

Owing to increase in desired user throughput and to the subsequent increase in network traffic, the number and density of cells in cellular networks have increased, especially starting with LTE. This directly translates into higher capital and operational expenses as well as increased complexity of network operation. To counter all three challenges, Self-Organized Networks (SON) have been proposed. A number of SON Functions (SFs) have been defined both from the network operator community as well as from the standardization bodies. In this respect, a SF represents a network function that can be automated e.g. Mobility Robustness Optimization (MRO) or Mobility Load balancing (MLB). The different SFs operate on the same radio network, in many cases adjusting the same or related parameters. Conflicts are as such bound to occur during the parallel operation of such SFs and mechanisms are required to resolve or minimize the conflicts. This thesis studies the solutions through which SON functions can be coordinated in an automated and preferably distributed manner. In the first part we evaluate the design principles of SFs that aim at easing the coordination. With the observation that the SON control loop is similar to a generic Q-learning problem, we propose designing SFs as Q-learning agents. This framework is applied to two SFs (MRO and MLB) with very positive results. Given the designed QL based SFs, we then evaluate two SON coordination approaches that consider the SON environment as a Multi-Agent System (MAS). The first approach based on Spatial-Temporal Decoupling (STD) separates the execution of SF instances in space and time so as to minimize the conflicts among instances. The second approach applies multi-agent cooperative learning for an automated solution towards SON coordination. In this case individual SF instances learn based on utilities that aggregate their own metrics as well as the metrics of peer SF instances. The intention in this case is to ensure that the learned state-action policy functions apply actions that guarantee the best result for the active SF but also have the least effect on the peer SFs. Both coordination approaches have been evaluated with very positive results in simulations that consider the MRO - MLB conflict.

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Mwanje, Stephen Ssekiranda: Coordinating Coupled Self-Organized Network Functions in Cellular Radio Networks. 2015.

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