无线网络资源的虚拟化技术研究

发布时间：2020-08-21 06:27

【摘要】：伴随着无线网络业务需求的日益增长和无线通信技术的快速发展,移动网络运营商面临以下两个挑战。首先,移动网络运营商的资本费用(CapEx,capital expenses)和运营支出(OpEx,operation expenses)费用日益增长。第二,各种不同制式的无线网络互相独立,难以有效地协调和使用不同的网络资源。无线网络虚拟化(WNV,Wireless Network Virtualization)技术被视为解决上述问题的关键技术之一。通过无线网络虚拟化,移动网络运营商的物理设备及其所提供的网络业务可以被解耦:服务供应商通过租用移动网络运营商的物理设备为用户提供不同的无线业务,从而实现不同运营商之间的网络资源共享。因此,通过无线网络虚拟化技术可以有效地提升网络的资源利用率,同时降低移动网络运营商的CapEx 和 OpEx。本论文研究了 LTE网络虚拟化和异构无线网络虚拟化中的资源分配问题。主要工作和创新点如下:第一,研究了 LTE空中接口虚拟化中的功率分配问题。根据虚拟化架构的特点,提出一种二阶段的功率分配方法。第一阶段,引入VCG(Vickrey-Clark-Groves)拍卖初始化功率分配,将服务供应商建模为竞拍者,竞拍功率资源。第二阶段根据服务供应商的用户需求动态地调整功率分配策略。最后通过仿真对比所提算法和传统功率分配算法在能量效率(能效)、用户公平性方面的性能。进一步地,研究了 LTE虚拟化中的频谱-功率联合资源分配问题。为了降低问题的复杂度,将问题解耦为频谱资源分配问题和功率资源分配问题。首先,引入破产博弈理论解决了频谱资源分配问题。在此基础上,引入分式规划和凸优化解决了功率资源分配问题。最后通过仿真验证了所提算法在网络能效、资源分配公平性方面的性能。第二,研究了异构无线网络中的虚拟化技术。首先,提出了一种虚拟MAC(Medium Access Control)协议架构。虚拟MAC是一个通用的网络协议层,它位于MAC层之上,IP层以下。通过虚拟MAC,可以将不同接入制式的异构无线网络融合到统一的网络协议栈中,以实现不同网络的资源共享。第二,研究了虚拟MAC中的资源分配策略。首先,通过引入业务和网络资源之间的适度值,以表征不同网络对不同业务的承载能力。进而,将适度值引入到匹配理论,设计了一种基于虚拟MAC的异构网络资源分配策略。第三,设计了基于虚拟MAC的用户移动性管理机制。最后,对所提出的资源分配策略和移动性管理机制进行仿真,与传统方法相比较,虚拟MAC能够有效地降低业务中断率、提升网络资源利用率。第三,基于虚拟MAC的概念,提出一种具有社交意识的虚拟媒体接入控制(SV-MAC,Social-Aware Virtual Medium Access Control)协议。该协议将用户社交性和网络虚拟化的特征引入到D2D下垫式异构蜂窝网络。SV-MAC融合了异构的接入网络和不同的通信类型,包括D2D(Device to Device)通信和蜂窝通信。同时,SV-MAC引入了用户的社交特性,以实现具有社交意识的D2D发现、连接和资源分配,以达到提高D2D通信效率的目的。进一步地,为了验证SV-MAC的优势,本文研究了 SV-MAC中的资源分配问题。将资源分配问题建模为最大化蜂窝网络和D2D网络能效问题。考虑到蜂窝网络具有更高的优先级,本文首先解决蜂窝网络的资源分配问题以满足蜂窝用户的速率需求。然后,在D2D对蜂窝网络的干扰约束下,求解了 D2D网络资源分配问题。最后引入真实网络中的用户社交信息以仿真所提出的资源分配方案。相比于已有的资源分配方案,所提出的基于SV-MAC的资源分配方案能够有效地提升网络能效。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92
【图文】：

无线网络资源的虚拟化技术研究

图２－１无线网络虚拟化中的商业模型逡逑综上所述，移动网络运营商亦可称作设备供应商，而服务供应商亦可称作虚逡逑

示意图,虚拟化,模型,示意图

逡逑２．２．１邋ＬＴＥ空中接口虚拟化技术逡逑图２－５给出了一个基于ＬＴＥ空中接口虚拟化的网络协议栈架构示意图，通过逡逑虚拟化的空中接口资源调度器（ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ），将一个ＬＴＥ邋ｅＮｏｄｅＢ虚拟化为多个逡逑虚拟的ｅＮｏｄｅＢ。不同的服务供应商通过使用不同的虚拟ｅＮｏｄｅＢ为用户提供服逡逑务。ＬＴＥ虚拟化调度器根据服务供应商的业务需求和ＬＴＥ邋ｅＮｏｄｅＢ的物理资源状逡逑况（如资源可用性、信道状态等）设计资源分配算法（信道分配、功率分配等）逡逑丨２－１３］［２－１４丨丨２－１５】。由于物理资源块（ＰＲＢ，ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅ邋ｂｌｏｃｋ）是ＬＴＥ网络空中逡逑接口资源的最小调度单位，因此ＬＴＥ的虚拟化空中接口资源调度器也是以ＰＲＢ逡逑为最小资源分配单位的。图２－２中，虚拟ｅＮｏｄｅＢ在获得所分配的带宽资源后，逡逑通过各自独立的网络协议栈形成独立的物理网络，为用户提供服务。逡逑卩杝邋ｊ邋ＧＴＰ￣Ｕ＂逦Ｉ．：’曑网邋ＧＴＰ＞Ｕ逦■网邋ＧＴＰ．Ｕ逡逑ＲＬＣ邋ＵＤＰ逦ＲＬＣ逦ＵＤＰ逦ＲＬＣ邋ＵＤＰ￣逡逑逦邋ｉｐ逦逦邋＂逦ｊｐ逦逦逡逑ｃＸ逦ｍｃ逦ｃＳ！邋ＭＡＣ逦ｃｐｚ逦ＭＡＣ逡逑Ｐｒｏｆｉｌｅ逦ＰＨＹ邋ａ逦１００ＢａｓｅＴ邋Ｐｒｏｆｉｌｅ邋ＰＨＶ７逦Ｂａｓｅｌ邋Ｐｒｏｆｉｌｅ逦ＰＨＹＡ逦１００ＢａｓｅＴ逡逑▲邋逦Ｔ邋＾邋ｆ逦邋Ｔ邋ｔ逡逑｜逡逑Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ逡逑图２－２邋ＬＴＥ空中接□虚拟化模型示意图逡逑文献｜２￣］定义了四种ＬＴＥ空中接口虚拟化的资源调度策略（带宽分配）：１）逡逑固定带宽分配策略

功率分配,服务供应商,建模,阶段

提出算法的公平性，并仿真对比了所提算法和传统算法的性能。逡逑３．１．１系统模型逡逑图３－１给出了邋ＬＴＥ空中接口虚拟化的模型。一个ＬＴＥ邋ｅＮｏｄｅＢ被虚拟成为多逡逑个虚拟ｅＮｏｄｅＢ，每个虚拟ｅＮｏｄｅＢ分配给一个服务供应商。ＬＴＥｅＮｏｄｅＢ中的虚逡逑拟化资源控制器（ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ）负责将ＬＴＥ邋ｅＮｏｄｅＢ中的物理资源分配到各个虚拟逡逑ｅＮｏｄｅＢ中。ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ没有直接访问移动用户信息的权限，只能通过服务供应商逡逑间接获得用户信息并进行资源分配。为了完成资源分配决策，ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ需要具逡逑有独立的存储空间和计算单元。逡逑服务供应商周期性地收集移动用户的信道状态信息和速率需求，并汇报给逡逑ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ。Ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ根据这些信息进行资源分配决策。在获得所分配的资源后，逡逑服务供应商通过各自的ＭＡＣ调度器和ＰＨＹ处理器，以实现物理上的信号传输逡逑并为用户提供服务。由于不同的服务供应商之间具有资源竞争关系，因此，服务逡逑供应商为了自己的利益（例如获取更多的资源以便于扩大所运用的网络规模、吸逡逑引更多的用户、为用户提供更好的服务等）

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