服务化5G网络资源管理与编排研究

发布时间：2020-08-16 19:17

【摘要】：近年来,随着无线通信网络的演进和发展以及智能终端处理能力的不断提高,移动数据流量呈现指数级增长,网络运营商不断增加基站部署密度,并且多种异构网络同时部署,使无线网络资源管理面临挑战;而且,用户数据业务需求呈现多样化的趋势,具有不同网络能力需求的第三方应用井喷式出现,使当前无线网络的封闭性和开放式网络资源管理需求之间的矛盾日益凸显;此外,无线网络的业务应用场景也呈现多样化的趋势,如何为复杂的业务类型及应用场景提供定制化和差异化的网络服务也是无线网络中亟需解决的问题。针对无线通信网络面临的问题,本文从无线网络架构设计、资源管理与编排策略的角度展开研究。设计了基于微服务的服务化5G网络资源管理架构和能力开放架构,并分别对服务化5G网络虚拟无线资源管理与编排、核心网资源管理编排与负载均衡和服务化的端到端网络切片管理进行了深入研究。本文的研究成果能够提高5G无线网络资源管理的效率和灵活性、降低网络运维成本。主要研究内容和创新点如下:(1)服务化的5G网络管理架构研究与设计本文基于微服务的思想,设计了面向5G不同应用场景及需求的服务化5G无线网络架构,在核心侧和接入侧分别进行了服务化设计和重构;针对服务化5G网络资源管理,提出了异构无线网络资源虚拟化架构,通过将异构无线资源、基带资源和核心网的计算资源、存储资源进行虚拟化抽象,能够实现底层基础设施资源的共享;并且提出了基于SDN和NFV的无线网络资源管理架构;此外,针对该无线网络资源管理架构下的网络切片资源管理编排问题,提出了基于随机学习和拍卖机制的网络切片资源管理编排算法。本文还设计了服务化5G核心网能力开放架构,并对该架构下的API网关架构与实现方案、能力开放接口协议及交互机制、能力开放接口性能提升方案等进行了研究与设计,通过所提出的能力开放架构,运营商能够根据不同的第三方应用需求进行灵活的网络能力开放与管理。(2)服务化5G网络虚拟无线资源管理与编排策略研究针对服务化5G无线网络资源管理架构中的虚拟化无线资源分配问题,提出了基于生物种群资源竞争模型的虚拟无线资源分配算法。首先,将多个移动虚拟网络运营商的虚拟化无线资源分配问题建模为生物种群的资源竞争模型;然后,提出了基于Lotka-Volterra模型的虚拟无线资源分配算法,并且基于该算法对系统的平衡状态进行了分析。仿真结果表明,所提出的虚拟无线资源分配算法具有较好的收敛性,并且能够在系统总效用与公平性之间实现较好的平衡。此外,还可以基于生物种群模型对系统用户动态和系统资源动态进行分析,这有助于网络运营商制定更加高效的管理策略。(3)服务化5G核心网资源管理编排与负载均衡研究针对服务化5G核心网资源管理编排与负载均衡问题,提出了基于近似雅可比交替方向乘子法(ADMM,Alternating Direction Method of Multipliers)的负载均衡及资源优化算法。首先,将分布式核心网部署架构中的负载均衡和资源优化问题建模为系统开销成本最小化的混合整数线性规划问题,并同时考虑了网络能耗、处理时延、回传成本和回传时延等。然后,对该优化问题进行转化,利用近似雅可比ADMM算法求解,并提出了基于近似雅可比ADMM的负载均衡及资源优化算法。所提算法能够有效应对回传网络和核心网面临的挑战,降低网络运营商运营成本开销;而且收敛速度较快,迭代过程中信息交互量较少;此外,该算法利于并行计算,具有较高的运行效率。(4)服务化的端到端网络切片管理与编排原型系统针对复杂的业务类型及多样化的应用场景带来的挑战,设计并实现了服务化网络端到端的切片管理与编排原型验证平台。首先,研究了服务化5G网络切片管理及部署架构,并设计了该架构下的高能效的网络服务迁移方案;然后,设计并实现了端到端的服务化5G网络切片管理与编排系统原型验证平台。通过该原型验证平台,网络运营商能够基于通用硬件为用户提供定制化、有保障的网络切片服务,并且能够实现动态的网络切片状态监控。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5
【图文】：

服务化,参考架构,核心网

巴巴、ｅＢａｙ、亚马逊等很多大型企业纷纷采用了ＳＯＡ的架构进行设计［１１］。逡逑近年来，ＳＯＡ的思想也被引入到无线网络架构设计中。３ＧＰＰ在最新的Ｒ１５逡逑标准化文稿中提出了服务化的５Ｇ核心网架构如图１－１所示。该架构对传统逡逑的移动核心网络架构进行了重构，各核心网网元被划分为更加轻量级的网络功能逡逑（ＮＦｓ，ＮｅｔｗｏｒｋＦｕｎｃｔｉｏｎｓ）模块，每个ＮＦ只负责单一的网络功能，它们相互隔离，逡逑可独立进行开发、演进和部署，不同的ＮＦ之间通过ＡＰＩ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ逡逑Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）接口进行通信。逡逑ＮＳＳＦ邋｜邋Ｎｇ邋｜逦｜邋ＮＲＦ邋｜逦｜邋ＰＣＦ邋｜邋ＵＤＭ邋｜邋Ｍ邋｜逡逑￣Ａ１＾Ｆ￣｜邋［ａｍＦ］邋［￣ＳＷ］逡逑Ｎ２逦＼邋Ｎ４逡逑ＵＥ邋＾逦邋（Ｒ）ＡＮ邋逦Ｎ３逦邋ＵＰＦ邋——Ｎ６邋邋ＤＮ逡逑图１－１服务化的５Ｇ核心网参考架构Ｉ１２！逡逑该服务化架构的可重构和服务间松耦合的特性，可以有效地提高５Ｇ无线网逡逑络的管理效率和灵活性，降低网络运营维护成本；其平台和编程语言的独立性可逡逑４逡逑

服务化,无线网络,概念

在本文中作者认为服务化的５Ｇ网络不仅仅是对传统的网元设备进行逡逑功能拆分和重构，更重要的是如何针对５Ｇ多样化的业务场景和功能需求实现面逡逑向服务化的高效网络资源管理与编排。如图１－２所示，作者认为５Ｇ网络中的服务逡逑化需要在对网络架构进行服务化重构的同时，研究和设计以用户和服务为中心、逡逑多种网络服务模块联动的联合优化机制。逡逑其中，面向服务化的虚拟无线资源管理与编排能够提供满足用户需求的无线逡逑资源；通过开放位置服务、业务配置、内容缓存和ＱｏＳ管理等网络能力，能够满逡逑足各种第三方应用的网络能力需求；通过服务化核心网资源管理编排与负载均衡逡逑能够实现高效的网络负载管理和资源优化；而服务化网络切片管理与编排和服务逡逑迁移能够针对具有差异化服务需求的５Ｇ应用场景提供端到端的网络切片服务。逡逑只有从架构设计、资源管理、能力开放等多个角度进行研宄和设计，才能在５Ｇ逡逑无线网络中实现灵活的管理编排和敏捷业务创新，促进５Ｇ网络从传统的网络为逡逑中心向以用户和服务为中心转变，充分满足不断涌现的新服务和应用需求。逡逑［服务化５Ｇ网络资源管理与编排ｊ逡逑逦Ａ逦Ｎ逡逑ｆ邋服务化５Ｇ核＇逡逑线网络资源、＼邋线ｚ心网资源管理逡逑管理邋Ｊ逦…ｕ｜／逡逑络能力开放《＝；：邋艮务ｙ逦）逦片管理逡逑Ｉ邋＾逦／00＾＼逦—逡逑图１－２无线网络中的服务化概念逡逑综上所述，虽然服务化的设计思想具有一定的技术优势，并且己经开始被引逡逑入５Ｇ无线网络架构设计中

视图,参考架构,北向,控制器

逡逑（３）控制层。控制层由一个或者多个ＳＤＮ控制器（例如：ＯｐｅｎＤａｙｌｉｇｈｔ［１６］、逡逑Ｆｌ00ｄｌｉｇｈｔ［１７＾）组成。通常控制器以软件形式运行于通用的服务器上，根据层应用的请求，运行各种网络控制任务，负责处理数据面的流表配置请求、制定逡逑网络控制策略以及下发流表配置等管理消息。ＳＤＮ控制器在整个架构中至关重逡逑要，一方面它通过北向接口向上层应用开放网络管理和监控能力，另一方面通过逡逑南向接口与底层数据面进行通信，并管理底层的数据面设备，动态地维护全局逻逡逑辑网络视图。逡逑（４）北向接口。北向接口是控制层与应用层通信的接口，ＳＤＮ控制器通过北逡逑向接口向各种上层网络应用开放网络管理能力，运行于控制器之上的网络管理应逡逑用能够通过北向接口向控制层下发网络配置和管理策略，例如：负载均衡策略、逡逑ＱｏＳ管理策略等。目前，还没有统一的北向接口标准，不同的ＳＤＮ控制器使用的逡逑北向接口存在差异。逡逑（５）应用层。应用层由各种网络应用组成，例如：路由管理、负载均衡和ＱｏＳ逡逑管理等。这些网络管理应用均以软件形式运行于ＳＤＮ控制器之上，因此网络管理逡逑者可以通过开发不同的网络管理应用来实现差异化的网络管理策略。这些应用通逡逑过北向接口与ＳＤＮ控制器进行通信。逡逑

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