变形网络中的资源管理研究

发布时间：2020-10-26 03:34

　　 在过去的几十年间,移动通信系统发展迅速,网络规模不断扩大,系统性能不断提升,提供的服务类型也越来越多样化。传统的移动通信系统只提供语音业务,而现在的移动通信系统提供的业务则非常多样化,包括数据、视频、在线游戏以及远程医疗等多媒体业务,另外还有机器类型通信(Machine Type Communication,MTC)业务如自动化驾驶、工厂自动化控制、传感器数据收集等。相应的,接入移动通信网络的终端也越来越多样化,从简单的手机到现在的智能手机、平板,以及各种各样的MTC终端。但是,移动通信系统在不断发展成熟的同时,也面临着诸多问题。首先,网络功能依赖于专有设备,功能多样化使得网络结构变得更加复杂,这就导致网络的灵活性不足;其次网络规模庞大,消耗能量增多,能效管理机制的缺乏导致网络能效低下;最后,用户需求的不断增加对系统容量提出了更高的要求,而业务类型的多样化则要求系统多业务资源管理更加灵活高效。本文将针对上述的几个问题,致力于提高网络的灵活性,并在此基础上提高网络的能效和谱效。首先,网络服务依赖于底层的专有设备,这会导致网络变得静态、难以升级和改变,产生网络僵化问题,我们设计了新颖的可以灵活配置的网络结构,借此对网络结构进行优化,并提高网络的灵活性和扩展性,改善网络僵化问题。其次,在设计的网络结构中,我们考虑了现有网络不能灵活适应环境变化的缺陷,设计了基于环境感知的动态基站调整策略,实现了射频拉远单元(Radio Remote Unit,RRU)基于环境变化简单变形,提高了网络能效。最后,我们考虑了现有网络多业务资源管理方面的不足,设计了基于无线虚拟化的多业务资源管理方案,实现了基带处理单元(Baseband Unit,BBU)的高效配置和调度,提高了网络能效。由于现有网络结构设计只是解决上述网络问题中的部分问题,本文设计了更加灵活的网络结构以期解决上述所有问题。我们在调研现有的技术以及相关工作的基础上,通过使用软件自定义网络(Software Defined Network,SDN)、云接入网(Cloud-Radio Access Network,C-RAN)、网络虚拟化(Network Virtualization,NV)等技术构成控制核心,加入环境感知模块以收集信息,考虑针对环境变化和多业务的挑战,将多个模块融合构成一个整体结构,即变形网络结构。整体结构由变形核、变形体、变形云构成,我们阐述了它们的功能以及它们之间的关系,以及变形网络的运行逻辑。同时,我们列举了一些简单的变形网络应用的例子,以期更好的表达出变形网络的思想。另外,我们分析了要实现变形网络部署仍需要解决的问题和挑战。针对现有能效管理工作场景简单、只针对业务变化、信息获取不精确、基站调整手段不全面等缺点,本文研究了基于环境感知的动态基站管理策略。我们在变形网络结构中,使用基于MIMO、C-RAN等多种技术的异构蜂窝网络场景,并从环境感知模块获取信息,在此系统模型下对问题建模。由于该问题是一个NP-hard问题,我们设计了启发式算法来获得次优解,算法中我们联合使用了基站休眠、天线开关以及功率控制等手段。仿真分析表明了本文设计的算法比两个基线算法拥有更好的性能,另外我们还分析了算法参数取值、基站休眠策略以及降雨对系统带来的影响。该策略实现了RRU基于环境变化变形,提高了网络的能效的灵活性。针对传统调度算法不适用于MTC,而虚拟化资源管理没有考虑多业务特性的情况,本文设计了基于虚拟化的多业务资源管理策略。我们基于变形网络,采用了以业务为中心的虚拟化模型,并且依据此模型设计了虚拟基站,在虚拟基站中将多业务资源管理问题解耦成虚拟网络间的资源分配和虚拟网络内的资源调度问题。虚拟网络间的资源分配问题被建模成一个NP-hard的优化问题,我们设计启发式算法求取次优解,而虚拟网络内的资源调度问题就是调度算法设计问题,我们为专门服务不同业务的虚拟网络设计了不同的调度算法。在仿真中,我们首先证明了这些调度算法的性能优势,其次,我们证明了该资源管理方案符合虚拟化的自定义、隔离、高资源利用率等特性。最后我们分析了设计的资源管理方案的整体性能,证明了该方案可以良好的解决多业务资源管理问题。该策略实现了BBU基于多业务变形,提高了网络的谱效的灵活性。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：

３Ｇ引入的技术包括：宽带码分多址、通用移动通信系统（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ?Ｍｏ？??ｂｉｌｅ?Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ?Ｓｙｓｔｅｍｓ，?ＵＭＴＳ）?和?ＣＤＭＡ２０００。?另外演变数据优化??（Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ－Ｄａｔａ?Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ＥＶＤＯ）以及高速上／下行分组接入（印￡１１５口沈（１１＾－??ｌｉｎｋ／Ｄｏｗｎｌｉｎｋ?Ｐａｃｋｅｔ?Ａｃｃｅｓｓ，ＨＳＵＰＡ／ＨＳＤＰＡ）造就了?３Ｇ?和?４Ｇ?（４ｔｈ?Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）??中间的一代通信系统，就是３．５Ｇ。??３．９Ｇ?即长期演进技术（Ｌｏｎｇ－Ｔｅｒｍ?Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，?ＬＴＥ），它提升了网??络容量，可以给大量用户提供高速宽带接入服务，比如视频、点对点文件共享和??综合网络服务。与此同时，由于有额外的频谱资源可用，系统可以更好的管理网??络，使用较小的代价来提供更大的覆盖、更好的性能。??４Ｇ网络架构可以向下兼容３Ｇ和２Ｇ，其标准ＬＴＥ?Ａｄｖａｎｃｅｄ由第三代伙伴??计划（３ｒｄ?Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ?Ｐｒｏｊｅｃｔ，?３ＧＰＰ）完成。通过完整可靠的基于?ＩＰ??的解决方案，４Ｇ改善了通信网络。４Ｇ可以随时随地给用户提供语音、数据和多??媒体业务，并且相比于前几代的系统数据速率更高。４Ｇ网络中开创性提供的服??务是：多媒体信息服务（包括声音、图片、动画等）、高清移动电视、数字视频??广播、视频聊天ＰＡ。??丰??

整体来说良好地解决了多业务资源管理问题，提高了网络的谱效??和多业务管理的灵活性，实现了基于多业务的ＢＢＵ变形。??为了更好的展现出本文的三个研宄点之间的关系，在图１．３中我们给出了它??们之间的逻辑关系，本文的三个研究点的关系如下：从研究目标来讲，内容一是??为了缓解网络僵化，提高网络灵活性，内容二是为了应对环境变化以提升网络灵??活性，内容三是为了应对业务多样以提升网络灵活性，三者都是为了解决网络现??有的问题提升其性能，给用户提供更好的服务。从研宄内容上来讲，内容一是总??体的结构设计，内容二是该变形网络ＲＲＵ变形能力的策略实现，内容三是ＢＢＵ??变形能力的策略实现，内容一是二和三的基础和框架，内容二和三是一的具体实??现。三者之间联系紧密构成一个完整的逻辑整体。??研究点１：变形网络结构设计??针对结构價化设计变形网络结构，??提升网络炅活性??ＲＲＵ?变?ＢＢＵ?变??形?略??研究点２：环關細动态基站管ｓ?＾＊３：??通过针对环境变化实现ＲＲＵ变形以提?通过针对业务多样实现ＢＢＵ变形以提??升能效和网络灵活性?升谱效和网络灵活性??图１．３研宄内容逻辑关系图??１．４．３本文的结构??全文共分为６章。??第一章是绪论

?第２章相关工作介绍???上接收相同的处理。流抽象允许统一不同类型的网络设备的行为，包括路??由器，交换机，防火墙和中间盒。流编程实现了前所未有的灵活性。??３．控制逻辑被移动到外部实体，即所谓的ＳＤＮ控制器或网络操作系统（Ｎｅｔ？??ｗｏｒｋ?Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ?Ｓｙｓｔｅｍ，?ＮＯＳ）。?ＮＯＳ?是?一＂ｔ＂软件平台，运行在商用服务器??上，提供必要的资源和抽象，以便于基于逻辑集中的抽象网络视图对转发??设备进行编程。因此，其目的与传统操作系统类似。??４．网络可通过在ＮＯＳ之上运行的软件应用程序进行编程，该应用程序与底??层数据平面设备交互。这是ＳＤＮ的一个基本特征，也是其主要价值主张。??值得注意的是，控制平面的逻辑集中特别提供了一些额外的好处。首先，与??低层设备使用特定配置相比，通过高级语言和软件组件修改网络策略更简单，更??不容易出错。其次，控制程序可以自动对网络状态的虚假变化做出反应，从而保??持高级策略的完整性。第三，控制逻辑在具有全局网络状态知识的控制器中的集??中化，这样可以简化更复杂的网络功能、服务和应用的开发。??
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本文编号：2856425