基于网络虚拟化的无线资源切片研究

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分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文基于网络虚拟化的无线资源切片研究论文作者：庞晓丹学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：物理电子学指导教师：李薇薇职称：副教授资助基金项目：国家自然科学基金（No.61431001） DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofPhysicalElectronicsRESEARCHONWIRELESSRESOURCESLICINGBASEDONNETWORKVIRTUALIZATIONByPangXiaodanSupervisor:Prof.LiWeiweiApril2017ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.61431001. 摘要移动网络发展到现在已经出现一些问题。一方面，用户不断增长的流量需求导致了频谱的短缺。异构网络、差异化的服务、认知无线电等新接入技术引用均能在一定程度上解决无线资源利用率较低的情况。但传统蜂窝网络中的单一运用使得网络管理和操作更复杂，运营商需要付出更多的花费部署大量基础设施。另一方面，智能手机和移动设备普及，支持大范围宽带应用和服务的兴起以及物联网、虚拟现实等技术的进一步发展将呈现更高的容量和多样化需求。网络切片是解决上述问题的有效方案，广义上被定义为端到端的逻辑网络，是将SDN与NFV结合起来的无线网络虚拟化技术。频谱资源、协议模块、硬件基础设施、共享缓存服务功能作为基本元件进行一定编排、重组以构成虚拟化的无线网络切片。本文探究无线蜂窝网络新架构和虚拟化无线切片调度策略的设计方法,具体工作如下：（1）由于接入网侧协议栈和无线射频单元的切片还未有定论，因此本文在通用设计架构基础上针对于5G愿景定制化无线网络切片应用架构。该架构通过SDN与NFV的高效融合为无线网络架构带来的巨大的商用价值。（2）通过NVS架构下切片的双层调度算法较之固定切片实现更为灵活调度同时优化资源利用率。根据不同运营商的SLA提供对应配比，在LTE协议栈MAC层流级别数据传输过程中定制化无线资源分配，同时对实时业务和非实时业务采取不同调度策略以满足各自QoS需求以改善丢包率以及系统吞吐量。（3）创新性提出D2D协作激励场景下切片调度与不同切片下用户协同激励。设置由协作激励产生的切片信誉标签，切片对不属于自己切片内用户的协作行为会得到补偿，促进该切片内频谱效率的提升。（4）基于中科院计算所的“超级基站”为不同运营商构建其专属的资源切片。通过与现有超级基站上的虚拟基站管控模块的结合，初步实现集中式蜂窝网架构超级基站下的接入网基站的虚拟化。验证了固定和增强两种模式的切片，不同运营商对应切片能够满足预设基本速率需求，获得整体的最大资源利用率。关键字：网络切片无线资源调度SDNNFVD2D协作激励超级基站I ABSTRACTTherehavebeensomeproblemswiththedevelopmentofmobilenetworks.Ontheonehand,thegrowingtrafficdemandofusersleadstoashortageofspectrum.Heterogeneousnetworks,differentiatedservices,cognitiveradioandothernewaccesstechnologiescanbeusedtosolvetheproblemoflowutilizationofwirelessresourcestoacertainextent.Theuseofaspecifictechnologyinisolationfromothersintraditionalcellularnetworkmakesthenetworkmanagementandoperationmorecomplex,operatorsneedtopaymoretodeployalargenumberofinfrastructure.Ontheotherhand,thepopularizationofintelligentmobilephonesandmobiledevices，awiderangeofbroadbandapplicationsandservicesaswellasthedevelopmentofInternetofThings,virtualrealityandothertechnologiesshowhighercapacityanddiverseneeds.Networkslicesareeffectivesolutionstotheseproblems,whichisdefinedastheendtoendlogicnetworkinabroadsense.ItisawirelessnetworkvirtualizationtechnologywhichcombinesSDNwithNFV.Thespectrumresource,theprotocolmodule,thehardwareinfrastructureandthesharedcacheservicefunctionareusedasthebasicelementstobearrangedandreorganizedtoformthevirtualwirelessnetwork.Therefore,thispaperfocusesonthesegmentationandisolationofwirelessnetworkresources,andexploresthedesignmethodofthenewarchitectureofwirelesscellularnetworkandthestrategyofvirtualizedwirelessslicescheduling.Specificworkisasfollows:（1）Duetothefactthattheslicesoftheaccessnetworksideprotocolstackandtheradiofrequencyunithavenotyetbeenconclusive.Therefore,thispaperpresentsanapplicationarchitectureofcustomizedwirelessnetworkslicesfora5Gvisionbasedonacommondesignarchitecture.TheefficientintegrationofSDNandNFVbringsgreatcommercialvaluetotheproposedwirelessnetworkarchitecture.(2)Thetwo-layerschedulingalgorithmbasedontheNVSarchitectureismoreflexiblethanthefixedslicetoachievetheoptimalresourceutilization.Accordingtodifferentoperators’SLAtoprovidecorrespondingratio,TheflowlevelslicesofMAClaminarinLTEprotocolstackarecustomizedtogoontoallocatewirelessvirtualresource,differentschedulingstrategiesforreal-timeandnonreal-timeservicesareadoptedtomeetII theirQoSrequirements,whichincreasesthepacketlossrateandthroughputofthesystem.(3)ItisproposedthatthesliceschedulingandtheusercooperativeinteractionunderdifferentslicesareproposedintheD2Dcooperativeincentivescenario.Tosetuptheslicereputationlabelgeneratedbythecooperationincentive,theslicewillnotbecompensatedbytheuser'sowncooperativebehavior,andpromotetheefficiencyofthespectrum.(4)Basedonthe"superbasestation"oftheChineseAcademyofSciences,thispaperconstructsitsownresourceslicesfordifferentoperators.Accordingtothecombinationwiththevirtualbasestationcontrolmoduleontheexistingsuperbasestation,itiscompletedthatthesuper-basestationvirtualizationofaccesssidebasestations.Itisverifiedthattheslicesofthetwomodelsarefixedandenhanced,andthecorrespondingslicesofdifferentoperatorscanmeettherequirementsofthepresetbasicrateandobtainthemaximumresourceutilization.KEYWORDS:NetworkSlice;SDN;NFV;D2Dcooperativestimulation;SuperbasestationIII 目录第一章绪论...........................................................-1-1.1网络虚拟化无线资源切片研究目的和意义............................................................-1-1.2国内外研究现状及发展趋势..........................................-2-1.2.1基于SDNNFV的虚拟化无线网络切片研究现状及发展趋势..........-2-1.2.2基于网络共享无线网络资源切片调度研究现状及发展趋势..........-2-1.2.3基于D2D下虚拟化无线资源切片的研究现状及发展趋势............-3-1.3本文主要研究内容及结构安排........................................-4-1.3.1主要研究内容................................................-4-1.3.2全文结构安排................................................-4-第二章无线网络切片关键技术...........................................-6-2.1未来移动网络虚拟化通用架构.................................................................................-6-2.2基于无线资源共享的网络切片.................................................................................-7-2.3基于SDN与NFV的无线网络切片架构.................................................................-9-2.4本章小结...................................................................................................................-13-第三章LTE系统中无线资源切片调度....................................-15-3.1无线资源切片调度下的系统模型...........................................................................-15-3.2LTE系统中MAC层流级别切片调度....................................................................-16-3.3仿真结果与分析.......................................................................................................-19-3.4本章小结...................................................................................................................-23-第四章网络虚拟化D2D通信的无线资源切片..............................-24-4.1网络虚拟化D2D终端协作的无线资源切片.........................................................-24-4.2仿真结果分析...........................................................................................................-27-4.3本章小结...................................................................................................................-29-第五章基于集中式网络架构超级基站的切片..............................-30-5.1基于超级基站的接入网切片...................................................................................-30-5.1.1集中式网络架构的超级基站........................................................................-30-5.1.2基于超级基站的无线接入网络切片设计....................................................-32-5.2基于超级基站的接入网切片模块功能...................................................................-35-IV 5.3仿真结果与分析........................................................................................................-36-5.4本章小结...................................................................................................................-45-第六章总结与展望....................................................-46-6.1总结...........................................................................................................................-46-6.2展望...........................................................................................................................-47-参考文献.............................................................-48-攻读学位期间所取得的相关科研成果.....................................-52-致谢.................................................................-48-V 第一章绪论1.1网络虚拟化无线资源切片研究目的和意义5G时代终端需求呈现多样化的趋势。MBB（mobilebroadband，移动宽带）、V2X（vehicletoX)、HDTV（高清视频）和VR（虚拟现实）[1]等新应用发展了起来，移动通信由简单的技术驱动向需求驱动转变。这些需求无论是类型上的多样性还是数量上的增多都加剧了数据流的暴涨，迫使移动运营商（MNO,MobileNetworkOperator）更密集的部署基础设施，密集部署减少了频谱短缺等问题但也使得干扰严重。集中、重复的基础设施建设使得费用花费巨大的同时，MNO投资效率也没有提高。随着移动通信网的进一步演进，多种制式如USMUMTSLTEWLAN形成的大量异构无线网络在垂直建站组网的架构下无法互通，无线资源浪费严重[2]。近年来，超过65%的欧洲的运营商都已经用不同方式部署网络共享，包括基站和天线系统的复用的积极共享方式使得运营商的CAPEX（capitalexpenditure，资本支出）和OPEX（operatingexpense，运维支出）花费降至40%[3]。无线网络中，虚拟化技术SDN（softwaredefinednetworking，软件定义网络）[4]与NFV（networkfunctionvirtualization，网络功能虚拟化）[5]通过识别和提取无线基本元件和功能构造新型的网络架构，将虚拟化网络共享作为网络切片的形式之一，通过无线资源网络切片的可扩展性，MNO和服务提供者(ServiceProvider,SP)区分优先级别资源和业务类型，连接不同制式的异构网络。网络共享下的虚拟化无线资源切片提高了无线资源利用率的同时降低了MNO架构投入。工信部资料显示2020年我国移动通信频谱资源预计将存在千兆级别的短缺[6]，频谱资源有限制约着无线通信的进一步发展，如何更有效地利用无线资源成为业界和学术界的研究热点和挑战。同时，相当一部分移动互联网业务的用户处于商场、购物中心等人流密集的热点场景，D2D（device-to-device）技术优点包括高频谱效率、高系统容量、宏基站负载较低、高转发速率、低功耗、短距离传输、更高的边缘覆盖率等[7]，引入D2D技术能很好适用于上述应用场景的挑战。但支持D2D技术需要在RAN（radioaccessnetwork,无线接入网）和CN(corenetwork,核心网)的控制平面和数据平面修改大量网络实体和协议，因此SDN和NFV下的通用架构为蜂窝网络集成D2D通信提供了极大的便利，该架构下的虚拟化网络共享下的网络切片对于解决上述挑战有着十分积极的意义。基于此，本文研究SDNNFV新型无线网络架构以及基于资源共享的虚拟化无线-1- 网络资源切片。同时还在SDN和NFV通用架构下集成D2D通信，构建特殊的虚拟化无线资源切片。除此之外，超级基站[8]作为解决高能效5G移动系统的有效方案，对于构建基于资源共享的虚拟化无线网络资源切片有独有优势。因此本文还对集中式无线接入网超级基站下的虚拟化无线网络资源切片进行了探讨。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1基于SDNNFV的虚拟化无线网络切片研究现状及发展趋势最早的网络虚拟化追溯到20世纪九十年代的虚拟连接异步传输模式[9]。伴随着传输分离的发展用到了一些虚拟化的概念：虚拟本地区域网络（V-LAN）、多协议标签交换（MPLS）、光学数据单元（ODU）交换[10]。随后出现通过网络层虚拟网络接口进行虚拟分布交换的数据中心，改变了传统固定镜像软件和物理服务器一对一的通信模式。3GPP、IMT2020标准组织和中兴、华为、爱立信等设备厂商为加速5G大范围部署无线网络虚拟化，借鉴SDN/NFV研究热点技术，关注无线网络虚拟化的隔离、资源查询和分配、移动性管理、网络管理和运营以及安全性、政府条例等问题[11-13]。论文[14]中，提出了将类似于SDN的方法应用到无线移动网络上的架构的用例，详细说明了模型、接口、高级别的信令。论文在SoftRAN[15]的基础上建立了动态切分运营商3D网格资源的RadioVisor[16]，保证控制信道消息、无线要素资源,以及不同切片的隔离性。论文[17]提出SDN控制面与数据面的分离概念能够有效解决现存网络不灵活导致的控制复杂化问题，在控制器上依据需求动态的调整网络，实现无线网络的虚拟化。由SDN衍生出的NFV(网络功能虚拟化,Networkfunctionvirtualization)的概念体现了硬件设备与软件的分离[18]。此后，SDN与NFV在无线通信网络的融合成为研究热点，提出了可以定制化编排虚拟资源和服务功能的网络切片，以实现按需定制的无线网络[19,20]。本文在上述SDNNFV融合的基础上提出了一种新型面向5G的虚拟化无线资源切片架构，实现基本的无线资源切分、隔离，虚拟资源管理、编排、定制化等功能。针对不同ITU5G愿景形成由接入侧边缘DC、IP承载侧、业务侧中心DC、5G整体管理编排器组成的无线网络切片，进而降低各种商用角色投资花费同时最大化利用资源。1.2.2基于网络共享无线网络资源切片调度研究现状及发展趋势无线网络切片作为一个端到端的虚拟化无线网络[13]可以解决RAN侧遇到的问题。流级别的切片中的服务流在FlowVisor提出后被归纳为虚拟化无线资源的实体中流的集合[21]。文献[13]提出的NVS架构为不同的MNO在基站虚拟化出不同的MAC-2- 层流级别的网络切片。论文[22]提出以信息为中心的无线网络虚拟化架构，通过动态内容接入和共享的扩展提出了内容级别的切片。移动虚拟网络运营商（MobileVirtualNetworkProvider,MVNO）向MNO请求特定的数据率的切片服务用户，利用不同商用角色资源编排和组合构成网络级别切片[23]。论文[24]提出了对来自于不同SP的虚拟切片业务优先排序，形成了一个先调度RT业务后调度NRT的虚拟优先级切片（VPS）。网络切片在获得资源隔离性的同时容纳不同类型的服务，但这对混合服务网络复用增益有所损失[25]。论文[26]研究的切片达到即时的隔离和最小化复用增益的损失。论文[27]设计了解决基站之间没有进行通信的完全分布式的系统，这个RAN多租用基站切片控制器评估每个与已确定的服务协议和策略相对的利用率状态。文献[28]提出虚拟媒体接入控制子层(VMAC)的概念进行资源虚拟化与管理，使得异构RAN聚合为标准的协议栈且根据服务定制化数据包。文献[29]在现有软件定义无线网络(SDWN)频谱管理架构的基础上进行了基带虚拟化的设计，无缝集成IEEE802.11协议栈和射频前端的同时提高了频谱效率。上述对切片调度的研究中，一些仅针对于虚拟化网络切片整体架构的设计不涉及RAN侧切片调度过程或对于核心网切片隔离及复用增益等问题的研究不涉及RAN侧切片调度。而另外一些研究将切片作为约束条件求次优解使得对于无线资源的切分不灵活。或是虽然考虑时延这一因素在RAN侧不同的用户的差别且利用切片构建不同的优先级来提升系统性能，但在切片调度过程中仅依据信道质量进行资源分配优化。因此，本文在基站MAC（mediumaccesscontrol,媒体接入控制）层对于NVS架构下切片以及固定切片类型进行系统级别的仿真。实现RAN侧无线资源利用率最大，采取切片调度策略定制化RT和NRT业务，在隔离的情况下灵活的实现不同业务用户时延和频谱效率最优。1.2.3基于D2D下虚拟化无线资源切片的研究现状及发展趋势近年来，D2D在改善移动无线网络系统性能方面的优越之处已得到广泛认可[30]出现了很多新方法、新思路。这包括以信息为中心的多MNO内容共享的D2D通信网络架构的提出[31]，优化D2D下无线网络虚拟化架构缓存策略同时利用乘法器的交替方向法（ADMM）以降低计算复杂度和信令开销[32]，提出新软件定义网络设备（D2D-SDN）架构以支持多跳D2D通信[33]。关于D2D协作激励策略的研究被归类为基于信誉标签、基于虚拟路径、基于效用函数的研究三类。基于信誉标签的激励协作通过协助其他用户转发信号有助于该用户获得良好的信誉标签[34-36]，进而促进良好信誉标签的用户得到更多用户的协作。在基于信誉标签的协作策略中，用户转发其他用户的信号去获得虚拟路径[36-38]。得到的虚拟路径越多的用户将获得更好的协作。基于效用函数的激励策略通过建立约束函数-3- 或目标函数的方式来表示系统的效用[39-40]。基于信誉标签的D2D激励协作在既往研究中并未应用到与虚拟化场景与无线网络切片结合起来，所以对这方面进行系统研究十分必要。本文在软件定义D2D通信的架构上继续探讨，提出切片信誉标签的概念，使得切片间不同用户之间可以进行协作激励，最大化网络范围内的总效用。除此之外，根据虚拟化集中式RAN概念，IBM提出的无线云网络架构，中移动、华为、英特尔分别提出的云接入网架构C-RAN，中科院计算所提出的超级基站架构[41,42]。本文基于超级基站架构上进行虚拟化无线资源切片方案设计和测试验证。1.3本文主要研究内容及结构安排1.3.1主要研究内容本论文研究网络虚拟化无线资源切片编排和调度。相关的理论研究与仿真实现工作列举如下：(1)提出新的无线网络切片架构。其中利用虚拟化架构基础及SDN、NFV融合编排。从基本理论、形式架构、应用场景方面总结网络虚拟化无线网络切片。(2)研究LTE协议下行过程中MAC层流级别基于运营商的无线网络切片，重点阐述NVS架构下基于RB分配与无线资源切片调度，根据业务特点定制化切片策略。(3)研究基于D2D协作激励的无线网络切片，提出切片信誉标签，比较了协作机制下优于非协作机制的频谱效率增益。(4)介绍了中科院计算所“超级基站”设备，阐述了在该设备下进行具体的虚拟化无线资源切片方案，基于该原型设备完成虚拟化切片设计、联调、测试工作。1.3.2全文结构安排本文主要研究网络虚拟化无线资源切片技术，为方便整体把握，针对网络虚拟化无线资源切片基本概念、发展演变进行概括说明。在查阅国内外文献、标准化组织相关提案后，按以下形式来表述内容：第一章：绪论。主要表明了网络虚拟化无线资源切片的研究目的，以及国内外网络虚拟化无线资源切片的发展情况。重点阐述无线资源切片的网络架构、调度、D2D技术下的拓展。规划了整篇论文的结构。第二章:概述最新的网络虚拟化无线网络切片基本理论以及关键技术。总结了不同类型、级别的无线资源切片。在现有未来移动网络虚拟化通用架构、基于SDN与NFV的无线网络切片架构的基础上，创新性的提出包含接入侧边缘DC、IP承载侧、以及业务侧中心DC三部分独立的互相连接的完整无线网络架构。定制化多种未来网-4- 络的应用场景。第三章：研究LTE协议下行链路中MAC层虚拟化无线网络资源切片调度。进一步探究了NVS架构下利用分层调度算法拓展的更加细颗粒度基于的RB调度。本章利用MATLAB平台对上述内容进行系统级仿真，与固定型切片进行对照说明无线资源利用率得到了优化。同时依据切片针对RT业务与NRT业务时延上差异定制化不同策略，观察丢包率和频谱效率的优化情况。第四章：研究网络虚拟化D2D终端协作的无线资源切片，创新性地将基于信用标签的D2D协作激励与虚拟化无线网络切片结合起来，构建基于切片的信用标签，利用MATLAB平台在上行链路中验证，切片中用户对另一切片中用户进行协作激励以提升系统增益。第五章：介绍了集中式网络架构特性以及中科院计算所提出的“超级基站”设备。通过网络虚拟化无线网络资源切片设计5G虚拟化基站的实现方案，将设计的简略方案在实际设备上进行联调、测试、分析。第六章：对本论文的内容进行概括，列出本课题存在的局限以及可以拓展的方向。-5- 第二章无线网络切片关键技术在新的5G网络商用模型中，不同的角色对于网络的需求是有差别的。运营商、虚拟运营商、服务的提供者、特定的用户对于整个网络的需求不尽相同。需要在网络虚拟化基础上的差异化定制。时、频、码、空、功率等无线资源以及网络基础设施均可以通过虚拟化技术抽象成便于管理的无线网络切片。无线网络资源能够灵活的与接入网对接，构成动态可调整、便于分配与控制的网络切片。有利于未来移动通信后向经营模式的发展。2.1未来移动网络虚拟化通用架构网络虚拟化使得当前网元中心化设计理念得到扩展，构造更为灵活、整体化的网络。用于控制和转发数据量的网元在容量、粒度、抽取方式上对已经定义好的外部接口开放。网络资源开放会带来很多好处[43]：一是不同控制接口同时存在于未处理的网元资源，作用在未处理资源的隔离域上；二是新型专有控制算法更便利的部署在未被处理网元的资源和控制实体之间的接口之间；三是外部控制实体的部署能够替代中心网元。作为先前分离的控制域有可能负责所有的网元，实现网络状态的中心化、端到端的控制和网络优化。如图2.1所示，基于网元中心扩展的虚拟化理念，未来移动网络虚拟化的通用架构包括多类虚拟化物理资源（VPR）、整体聚合的虚拟资源管理者（VRM）、中心化的虚拟网络控制器（VNC）[10]。上述构建模块详细介绍如下：VPR由基础设施的提供者（InfrastructureProvider,InP）提供，在不同网络层或类似于CPU的虚拟实体上建立虚拟连接和节点。虚拟资源包括物理域和网络域，物理域是以IT域代表的服务器群或者云计算域，网络域是由移动接入域、核心网络域、终端用户设备构成。VRM提供在VPR和VNC之间的连接，保证每个控制器接入其专有的虚拟资源的切片，确保分配VPR能够以预先定义好的方式传送给VNC。通常情况下，大网络被分给不同的域被各自虚拟VRM管理，多个VRM需要联合功能以保证VNC端到端视图。基于虚拟网元中拓扑的需要以及VPR开放性，VRM保证虚拟网络之间的映射，同时VNC实现了控制资源。VRM从VNC得到包括拓扑和网络需求在内的虚拟网络请求。构建虚拟资源组合以实现满足请求需求前提下最有效率花费的虚拟网络。虚拟网络控制器（VNC）通过标准化或开放的接口来控制虚拟网络资源以及上层对应的软件。单个VNC能够为某一服务控制其对应的虚拟网络，VNC的数量不定，针对不同VRM有不同的等级划分。不同的VNC通过不同的网络运营商去配置隔离对应的虚拟网络。VNC可以促使VRM优化计算端到端连接，包括端到端服务质量-6- （QoS）以及服务级别协议（SLA）参数，可以应用到不同InP提供虚拟资源的多域场景。隔离的虚拟网络虚拟网络控制器虚拟网络控制器1虚拟网络控制器2…虚拟网络控制器n虚拟网络需求虚拟物理资源管理者聚合切分资源资源管理者配置可利用的虚拟资源网络切片虚拟物理资源路由器交换机DWDM…服务器接入节点图2.1未来移动网络虚拟化通用架构上述模块通过控制平面接口连接用于虚拟网络分配和运营。每个虚拟网络内有水平的控制平面以及垂直的控制平面。水平的控制平面运用在每个独立的三个构建模块里。垂直的控制平面提供水平控制平面各部分的交互，动态自动的去建立和运营一个虚拟网络。2.2基于无线资源共享的网络切片网络共享[44,45]是网络虚拟化主要应用技术之一。由于无线网络商业模型的转变以及网络共享节省了花费上的有效性，网络共享已经被应用到RAN侧领域。基于网络共享的网络切片如图2.2所示。没有网络切片概念的传统网络架构模式如图左边所示，接近于当前因特网的云上模型，表现为单个网络为多个服务提供资源。而利用网络虚拟化之后，单个网络被分离为一些不同的可以被单独控制的网络，即基于网络共享的网络切片是将一个单独的网络被分离为一些不同的可以被单独控制的网络，用以传输特定服务。-7- OTT服务传递服务特定网络服务服务服务服务服务服务控制控制控制特定服务控制控制控制网络网络图2.2网络共享下的网络切片评价切片的通用标准为隔离化、定制化、资源的利用率最大[46]，基于网络共享的无线网络切片的详细特性描述如下：●隔离：切片之间无线网络资源互不影响，不随新用户的接入，用户的移动性，以及波动的信道质量的变化而变化。●定制化：依靠提供的服务，控制不同的流调度，提供简单适宜的可编程接口。●资源的利用率最大化：MNO提供资源的效用，同时满足每个单独切片的需求。伴随着网络共享的大环境上述模型的商用角色的互动过程建立起来。未来移动网络商业模型角色演进如图2.3所示。根据拥有物理资源和在网络中功能的不同，包括以下角色，SP和MNO以及随后分离出InP和MVNO[47,48]。InP拥有部分物理蜂窝网络基础设施资源和物理无线资源。MNO拥有和运营基础设施和物理无线网络资源，包括授权的频谱、RAN、回程链路、传输网络、CN等。SP租用、运营、编程MNO的虚拟化使得物理移动网络资源切分为虚拟网络资源，为移动用户提供端到端的服务。MVNO有固定用户群却没有InP和频谱资源，可以通过请求来自MNO特定的数据率的切片去给所属用户提供服务。除此之外还有一些特殊的网络商用模型角色的存在。某些有线网络InP能够提供回程链路网络服务，但没有RAN和授权频谱。铁塔公司仅提供基础设置建设而没有授权频谱。最初两层商业模型仅有上述MNO和SP的交互[25]。而新型集中式无线接入网架构中采取三层商业模型，由MVNO和InP代替了之前MNO的部分功能。SP向MVNO提供传输业务的能力需要，MVNO从InP处获取虚拟资源为SP提供服务，同时协调和管理虚拟化资源。更进一步，移动虚拟网络提供商（MobileVirtualNetworkProvider,MVNP）表现为利用优良的网络虚拟化技术功能提供虚拟资源，替代之前MVNO和MNO对于虚拟化网络的协同管理工作，构成四层商业模型。-8- SPSPSPSPSPSPSPSPSPMVNPMVNPMVNOMVNOMVNOMVNOMNOMNOInPInPInPInPInPInP图2.3未来移动网络商业模型演进无线资源虚拟化的网络共享实现对无线网络资源切片的调度。根据切分虚拟资源的不同，无线网络资源切片包括基础设置级别的切片、网络级别的切片、流级别的切片，内容级别的切片[22,25,49]。详细定义如下所示：频谱级别的切片是指多个MNO共享同一频谱，获得更多的频率调度和多样性增益，提升频谱的有效率和容量。网络级别的切片即是指MNO能够虚拟化一个或多个接入节点（eNB、中继、家庭基站等），变成虚拟化的基于位置和UE信道状态的逻辑节点。构成包括RAN、CN、频谱、基础设施等全部网络要素的完整理想网络；不同商用角色间网元和功能的多层次灵活构成，使得多个商用角色之间资源的整合更加有效。流级别切片虚拟化过程中，切片定义为向MNO请求虚拟化资源的实体中流的集合。蜂窝网络拓扑和单元对SP是透明的且屏蔽了细节网络。关注SP和终端用户之间的连接、以及承载容量和在虚拟切片上的定制化功能，实现了更轻量级的无线资源调度过程。内容级别的切片即指对于基站内一些请求率较高内容，切分为多个虚拟的内容给多个MVNO或SP以实现虚拟化环境下的内容共享。实现了虚拟资源分配和网络内缓存策略的融合。表2.1无线网络切片类型对应的隔离资源和技术原理无线网络切片类型隔离的资源技术原理与研究平台频谱级别的切片无线频谱认知无线电、软件定义无线电网络级别的切片完整理想网络（多个网元统一组合）虚拟化技术SDN/NFV流级别的切片MAC层调度服务流（PRB、数据包、时隙）无线资源动态调度内容级别的切片物理内容（缓存）动态内容接入和共享扩展具体到无线网络切片类型对应的隔离资源和技术原理如表2.1所示。需要指出，高级别的虚拟化会导致更好的切片间资源的复用，实现起来也更为简便，但其隔离的效果以及资源定制化的灵活性会进一步降低。低级别的虚拟化会有更好的灵活性，但是对切片的拥有者来说，会带来不必要的复杂度。-9- 2.3基于SDN与NFV的无线网络切片架构国际电信联盟ITU愿景中提出有关5G未来不同场景下的定制化切片的需求特点和应用化举例如表2.2所示[50]。满足上述场景的无线网络切片架构需要构建多种满足差异化业务需求的定制化逻辑网络，打破传统网络强耦合的特性，使网元和空口资源打破传统网络的限制。SDN、NFV、云计算、分布式云架构等虚拟化技术的联合作用构成了无线网络切片。表2.2未来不同应用场景下的定制化切片网络切片功能类型需求特点应用化举例eMBB切片高容量、视频存储4K/8K超高清视频、全息技术、增强现(增强移动宽带切片)实/虚拟现实mMTC切片大规模连接、传感器静部署于测量、建筑、农业、物流、智慧(海量物联网切片)止、无移动性管理城市、家庭等）uMTC切片低时延、高可靠性无人驾驶、自动工厂、智能电网等(任务关键性物联网切片)图2.4SDN架构图SDN主要特性为控制平面与数据平面分离、集中式网络控制、在控制层与数据层设备之间开放网络接口、网络由外部程序编程等。SDN三层架构如图2.4所示[51]，由上到下依次为应用层、控制层、数据层，对应功能分别为对业务和应用开放接口，-10- 数据转发和资源编排、维护网络拓扑以及状态信息，基于流表的数据处理、转发和状态收集。欧洲电信标准协会ETSINFVISG2014年发布NFV如图2.5所示主要包括[18]：●虚拟化基础设施（NFVI）：为虚拟功能网元提供虚拟资源。包括硬件的商业成品组件，必要的加速装置，和一个被虚拟和底层硬件抽象的软件层。●虚拟网元功能（VNF）：是实现在虚拟化基础设施上运行的网络功能的软件。它可伴随网元管理系统，实现特殊的功能。VNF的本质也就对应于现在的网络节点。VNF被希望能从硬件独立出来自由的传送纯软件。●NFV管理编排（NFVO）：负责虚拟化基础设施和网络功能单元VNF的管理和编排。它注重于在NFV架构中虚拟化分类管理。同时它也会与OSS/BSS联系起来。虚拟网络功能（VNF）VNFVNFVNFVNFVNFNFV基础设施(NFVI)NFV管理虚拟计算虚拟存储虚拟网络编排（NFVO）虚拟层计算存储网络物理层图2.5NFV架构图NFV和SDN均能实现集中化网络控制和管理，但侧重点不同。首先，设计初衷不同。SDN设计最初是实现服务器路由控制与转发的分离，而NFV主要侧重于软硬件解耦及功能服务抽象，网元功能脱离以往具体的专有硬件。其次，针对不同层次的虚拟化。SDN关注于网络设备的虚拟化，NFV关注于网络服务和功能的虚拟化。利用NFV可以实现如网络地址转换、移动网络节点、流量分析与服务保障、家庭路由操作、SLA监测等功能的保障实施。再次，商用需求目标不一致。SDN最初应用到优化IDC（InternetDataCenter，因特网数据中心）内部网络，支持应用服务器上虚拟机的迁移等功能，NFV则是为了降低部署服务的时间以及运营商的资本花费和运营花费。总之，SDN构建虚拟机逻辑上控制、信令及数据流通道。NFV将底层的物理资源映射为虚拟化资源，配置网络逻辑功能。两者取长补短可以构建更有效实用的网络-11- 架构。本文在IMT2020提出的虚拟化切片平台基础上[12]，以及欧洲METIS项目[52]结合大量的调研与分析，提出了如图2.6所示架构。该架构借鉴了上文中未来移动网络虚拟化通用架构，水平方向上分为接入侧边缘DC、IP承载侧、以及业务侧中心DC，三者通过SDN构造的通路互相连接构成完整的无线网络。三部分垂直方向上各自独立，对应硬件设备管理、虚拟化资源管理以及软件服务功能管理。由下往上分别是物理基础设施、虚拟化元操作系统Hypervisor、VM主机、虚拟服务功能以及5G整体管理编排器。其中包括NFV编排器、SDN编排器、VNF管理器、切片管理器、虚拟化基础设施管理器和能力开放管理。接入侧边缘DC的物理基础设施是中心化的C-RAN设施以及对应的BBU设备、PPU设备以及空口RRU设备。这些虚拟化的专有设备通过NFV在通用COTS商用服务器上的VM，实现底层硬件基础设施以及上层共享虚拟化资源管理与使用。虚拟化的VBBU和VPPU根据不同的业务需求定制化的进行重组，或在同一基站平台上选择承载多个不同类型的无线接入方案。由边缘VIM以及边缘VNFM进行基础设施以及虚拟网络功能的管理，便于配置客户所需的接入网边缘业务模式切片。业务侧中心DC的基础网络设施是一些基于行业标准的服务器、存储和网络设备，为无线网络提供所需的计算资源、存储资源、网络资源。Hypervisor内置虚拟路由、交换机、服务器（CPU硬盘内存等虚拟资源。业务侧中心DC的虚拟化资源包括核心网中的基本功能如MME、S/P-GW、PCRF以及IMS和业务网元如RCS、IN。这些构成核心网多类型的虚拟网元如CDN控制面、vEPC、vIMS、vUDC虚拟化等。由边缘VIM以及边缘VNFM进行物理计算资源以及虚拟服务功能管理，便于配置客户所需的核心网业务切片。IP承载侧的任务是实现接入侧边缘DC以及业务侧中心DC的相互连接功能。底层是SDN转发设备，用于连接着接入网侧的虚拟机以及业务侧核心云中的虚拟机。中间一层放置SDN控制器用于创建接入侧DC网关路由器与业务侧中心DC服务器之间的隧道连接功能，建立与MPLSL3VPN的映射。除去部分光器件在PON上的协议栈芯片，其余设备均可进行通用虚拟化而涉及到不必设置在专用硬件中，图中的vOITAPP、vBNGAPP即是利用可编程的特性作用在SDN的应用层。在图2.6所示架构中，根据ITU愿景不同场景下实例化三种不同功能配置的网络切片。增强移动网络eMBB切片中，由于其对业务的服务质量要求较高，因此虚拟化的基带、协议栈、部分核心网以及存储服务器功能均放置在接入侧边缘DC。除此之外的虚拟化核心网功能如vUDC、vIMS放入业务侧中心DC。mMTC切片由于其物体静止不动不需要管理移动性功能，因此业务侧中心DC可以设置的相对简单；mMTC切片为简化端到端时延，原网络的VEPC以及相关服务器均下沉到接入侧边缘DC。-12- 该虚拟化系统实现对虚拟化基础设施平台的统一管理和资源的动态重配置。本文提出的上述网络切片无线架构中，NFV使得SDN控制面服务更加有效、灵活，SDN保证在NFV虚拟化功能间的网络功能间的网络业务质量。5G整体管理编排器VNFO切片管理能力开放管理边缘VNFMSDNO核心VNFM接入侧边缘DCIP承载侧业务侧中心DC边缘VIM核心VIMvBBUvEPCvUDC…uMTCVNFVNFvOITAPPuMTCVNF切片vPPU切片vIMS…VNFVNFvBBU…vUDCvIMSmMTCVNFvBNGAPPmMTCVNFVNF切片vPPU切片vEPCVNF…VNFvBBUvCDNvUDCeMBBVNFVNF…eMBB…VNF切片vPPU…切片vIMSVNFVNFVMVMVMVMVMVMSDN控制器hypervisorhypervisorSDN转发BBUPPURRU计算存储网络设备设备设备设备资源资源资源图2.6面向5G的的无线网络切片架构2.4本章小结本章从多个角度说明现行网络虚拟化无线资源切片概念，充分介绍和分析了现有的网络切片关键技术，在此基础上创新性地提出针对ITU愿景的5G虚拟化无线网络-13- 切片架构。下面对本章工作进行详细总结。第一，在整体架构方面，阐述了未来移动网络的通用设计架构和构成要素。概述5G愿景下网络切片的应用，以及SDN与NFV的高效融合给无线网络架构带来的巨大的商用价值。第二，由于无线接入网侧协议栈和无线射频单元部分的切片还未有定论，因此本文从资源共享的角度探究这一问题的实现，说明了相关方面研究的关键技术理论。第三，在上述关键理论的基础上创新性的提出了面向5G定制化无线网络切片。上述提出的无线网络切片架构及各方面的网络切片关键理论为本文下章阐述的LTE系统无线资源调度切片做了较好的铺垫工作。-14- 第三章LTE系统中无线资源切片调度集中式RAN是有潜力的下一代无线通信网络架构，将2.2章节介绍的无线网络商用模型角色包括MNO、InP、SP、MVNO、MVNP等作为虚拟网络提供者，租用和共享中心化的RAN，通过构建不同切片隔离的虚拟网络来执行用户的无线资源切片调度。基于虚拟网络提供者在预先协定包括业务实时性、无线资源比例等方面，利用NVS(软件虚拟基片)，在LTE系统MAC层进行无线资源切片调度，同时考虑D2D激励协作的因素，实现无线资源利用率的最大。3.1无线资源切片调度下的系统模型以基础商用角色MNO为例概括多种商用角色可能发生的情景。如图3.1所示，同一地理范围内存在为用户提供服务的多个MNO，每个MNO对应一个切片。利用切片的隔离性对不同的业务定制化不同的调度策略以优化用户服务质量，基于资源块切片分配效用函数保证实现基站利用率的最大。以上切片调度主要考虑LTE下行数据传输的资源分配。切片调度器的效用函数为公式3.1中的V(R[27]g)，其中Rg表示基于带宽速率或基于资源块保留率。但由于LTE系统是通过在MAC层分配RB来实现无线资源的调度，较之基于带宽速率形式，基于资源块保留率的调度能够更加准确的调控切片调度的权重。因此本文构建的切片调度器采用该方式进行无线资源的切分，利用公式3.2的凹[13,53,54]rsv效用函数建模得到的切片收益，其中t表示SLAs。ggmaxV(Rg)Rg≥Rmin(3.1)grsvVt()=∈tlog()tgH(3.2)ggg-15- MNO1MNO2MNO2用户设备用户设备MNO2基站MNO1MNO1用户设备用户设备用户设备用户设备图3.1未来虚拟化无线资源切片调度系统模型3.2LTE系统中MAC层流级别切片调度LTE系统的协议栈在功能分为用户面和数据面。用户面传送的主要是数据，控制面传送的主要是控制信息，实际系统中两种信息交互传输。LTE协议栈中的MAC子层主要完成优先级计算、用户以及资源调度和HARQ等操作。通过利用MIMO、HARQ和AMC（自适应调制编码，AdaptiveModulationandCoding）等无线技术[55]，MAC层调度算法结合用户的QoS（服务质量，QualityofService）要求、信道质量和业务队列的状态[56]，同时考虑物理层的资源利用情况进行资源分配的优化。NVS[13,53]切片调度框架下进行资源调度实质上是在基站MAC层中引用了一个分层的调度，NVS方法包括切片调度和帧调度两个步骤。如图3.2所示。切片调度模块保证根据SLA保证的资源配比，帧调度模块采用基站内原有的流调度器，根据不同的需求选择不同复杂度和灵活度的帧调度器，实现基站硬件上更为轻量级的部署。LTE协议中调度给用户的最小资源块（ResourceBlock，RB）[57]。作为空中接口资源分配单位，频域和时域上分别由宽度为180kHz的12个连续的子载波和7个连续的OFDM符号组成0.5ms的1个时隙。执行调度和资源分配时,LTE协议中设置带宽和RB数目的对应关系如下：1.4kHz/5RB、3kHz/10RB、5kHz/25RB、10kHz/50RB、20kHz/100RB。调度时0到N为资源块进行编号，N为最大的RB数目。-16- 图3.2NVS框架下MAC层流级别切片调度过程图切片调度器权重更新如公式3.3、3.4公式所示，假设H是基于带宽和基于资源保留率的切片的集合，为了达到最大效用，切片调度在瞬时时间j以最大权重为原则选exp择切片。t表示从开始到t−1的时间间隔内资源块RB的指数平均，调度更新算法依g,j据如图3.3所示。如果资源块RB仍有剩余，则在这个时间j间隔内选择带有次级权重的切片进行流调度。这个过程继续进行直到利用完所有的资源或没有切片剩余。通过这种方式，在保证切片预设需求的情况下，实现基站利用率的最大化。-17- 开始统计各切片内RB数目，更新切片优先级权值w切片调度器根据优先级权值进行切片调度选择在该时隙中进行用户帧调度帧调度器N调度完毕且有剩余RBY依次对权值次级大的切片和其内部用户进行重新调度N调度完毕或无剩余RBY进入下一个TTI更新平均传输速率和待数据量结束图3.3切片调度算法流程图rsvtgw=g属于H(3.3)g,jexptg,jNg,j−1t=(1−β)t+β(3.4)g,jg,j−1K帧调度器如表3.1所示选用经典PF以及M-LWDF（modifiedlargestweighteddelayfirst，修正最大加权时延优先）调度算法[58,59]。算法对应业务流在帧调度器资源块内的权重值计算如公式3.5、3.6所示，其中r(t)由自适应调制和编码(AMC)模块根据i,j-18- CQI值计算对应的MCS得到。PF算法的劣势是处理实时业务的性能较差，而M-LWDF调度算法考虑分组数据业务端到端延时以及各类业务QoS。因此本文将PF、M-LWDF算法不同的时延特性利用到不同运营商的切片中，定制化的解决业务时延差距问题。rt()ij,wt()=(3.5)ij,Rt(1−)ilogδirtij,()wD=−..(3.6)ij,,HOLiτiRti(1−)Rii()(1tR=−αα)(1)tr−+()t(3.7)i表3.1帧调度器调度算法参数设置调度算法PFM-LWDF性能特点实时性差实时性好权重公式rt()logδrt()ij,iij,wt()=wD=−..ij,ij,,HOLiRti(1−)τiRti(1−)参数表示r(t)：当前时隙理想瞬时速率δ：0-1之间i,jiRti(1−)：当前时隙为起点的时间τi：关于服务质量的丢包概率窗内的平均传输速率的估计值D：用户i队队列队首的等待时延HOLi,3.3仿真结果与分析本文在MATLAB平台上实现了切片功能的系统级仿真。平台系统仿真了整个下行链路的传输功能。采用LTE系统3层19蜂窝小区，分别产生理想型的Full-Buffer业务以及FTP业务和视频流业务，其中FTP业务到达时间符合指数分布,大小为250KB,持续时间为10s，视频流业务的发送速率为256kb/s，具体仿真参数如表3.2所示。为了验证NVS切片按预定比例分配无线资源以及最大化资源利用率，设置表3.3的仿真场景如下。为简化实验过程，一段时间内仅有一种类型的业务，切片1和切片2下的每个扇区内采用相等数量的Full-Buffer业务。SLA1、SLA2参数是预先分配给MNO对应切片占整体RB资源的比重。SLA参数的灵活设置使得资源能够在满足MNO基础上进行动态的分配，提高系统无线资源利用率。-19- 表3.2仿真参数设置参数类型设置仿真场景3GPPcase1载频2GHz带宽10MHz小区布置六边形小区，19个宏基站，每个宏基站覆盖三扇区模型基站间距离ISD500m路径损耗L=128.1+37.6log10(R),Rinkilometers速度3km/h阴影衰落标准差8dB阴影衰落相关距离50m阴影衰落相关小区间0.5系数扇区间1.0天线模型2ϕA()ϕ=−min12,AHϕm3dBϕ=70°，Am=20dB3dB信道模型TU信道基站总功率46dBm用户分布均匀撒点UE和BS最小距离≥35m表3.3基于RB分配的虚拟网络提供者切片仿真场景参数设置MNO切片类型切片固定NVS切片1RB数目编号1-35SLA1参数为0.7切片2RB数目编号36-50SLA2参数为0.3如下图3.4所示仿真结果表明，在小区用户数不断增大的情况下，RB利用率逐渐达到饱和，约等于最初的设定值7:3，实现了不同MNO切片按预定比例隔离。除此之外，NVS切片1与切片2的RB利用率均大于固定切片，这是NVS切片能够在权重值约束下更灵活的利用基站内的无线资源，获得更优的资源利用率。由于固定切片只能利用预先所分配的有限RB，而NVS算法通过优先级权重可以使得在每一帧中先满足优先级权重大的切片对于RB的请求。NVS切片与固定型切片系统吞吐量对比如-20- 图3.5所示，随着用户数的增长，整个系统的吞吐量值会相应的持续性增长，使得不同切片之间的资源调度更加有效。70固固固固1固固固固260NVS固固1NVS固固2504030利用利（百百用）RB201000510152025303540455055用用用图3.4NVS切片与固定切片RB利用率对比图6x1012固固固固NVS固固10）8bps/cell64系系系系系（200510152025303540455055用用用图3.5NVS切片与固定切片系统吞吐量对比图同一地域内不同MNO因为某些定制服务需求，存在服务用户业务不均衡的情况。可以利用NVS切片的隔离性，针对不同用户需求选择不同的调度方式。切片1中包含接收FTP数据分组的NRT业务用户较多，切片2中包含时延敏感的视频流用户较多。具体设置切片1中包含接收FTP业务与视频流业务的用户比重为3:1，切片2中包含接收FTP业务与视频流业务的用户比重为1:3。仿真场景设置见表3.4。-21- 表3.4RT与NRT业务仿真场景设置MNO切片设置类型用户业务情况切片调度策略切片1（NRT）FTP业务策略1：PF策略2：PF策略3：M-LWDF切片2（RT）视频流业务策略1：M-LWDF策略2：PF策略3：M-LWDF如图3.6所示，切片1和切片2按需定制化选择调度算法的策略。策略1的分组丢失率比仅用PF调度的策略3的情况有所改善，但高于两切片均用M-LWDF算法的策略3。图3.7说明了不同策略的系统吞吐量情况。随着用户的增大，策略1系统吞吐量高于比两切片均用PF算法的策略2，但略低于均用M-LWDF算法的策略3，而考虑到在实际设备上调度过程中的算法复杂度问题，通过切片的隔离设置的策略1能够使系统达到理想的效果。此外，用户数量较少时，在一段时间内用户撒点具有更大随机性，考虑到信道质量等因素，会出现数值上不符合图3.6和图3.7中分组丢失率和系统吞吐量曲线整体走向趋势的情况。0.06策策1策策20.05策策30.040.03丢丢利0.020.01005101520253035404550用用用图3.6不同策略的分组丢包率-22- 6x1012策策1策策210策策3）8bps/cell64系系系系系（2005101520253035404550用用用图3.7不同策略的系统吞吐量3.4本章小结本章首先在虚拟化接入网场景中构建无线资源切片，区别于以往的基于速率的无线网络资源切片，针对LTE协议调度单元RB的分配更加细化网络资源调度颗粒度的同时优化了系统的吞吐量；其次，通过SLA协议来决定对LTE下行数据传输过程中定制化无线资源分配提供相应的配比、业务实时性，保证MNO之间的隔离。通过调整切片的策略对比说明对丢包率以及系统吞吐量的影响。再次，演示了固定切片方式和NVS架构下的切片方式。对于定制化的RT和NRT业务，根据不同的业务需求定制化切片。总之，本章利用构建系统级的仿真模型验证了网络切片的基本特性隔离性、定制化、资源利用率最大。-23- 第四章网络虚拟化D2D通信的无线资源切片上一章节中利用搭建的系统级别的MATLAB仿真平台，实现RAN侧MNO切片在LTE协议栈的MAC层切片调度验证。本章在此基础上实现网络虚拟化D2D通信的无线资源切片。在虚拟化的无线环境中利用基于信誉标签的D2D激励协作进行无线资源的切分以实现频谱效率的最优。4.1网络虚拟化D2D终端协作的无线资源切片在第二章网络虚拟化通用架构下，提出了如图4.1所示基于虚拟化软件定义D2D通信无线资源切片模型架构。该系统模型主要包括MVNOMVNP管理控制层、MVNOMVNP虚拟资源层、以及物理资源层。MVNOMVNP管理控制层包含软件定义的D2D通信，与切片管理和虚拟资源管理一起完成D2D终端协作的无线资源切片。MVNOMVNP管理控制层虚拟资源切片管理异构网络模软件定义软件定义特管理式选择管理D2D通信定功能APP虚拟基站虚拟基站APMVNOMVNP虚拟资源层切片1切片2...虚拟路由切片n物理资源层切片1切片2切片3...图4.1基于D2D激励协作无线资源切片系统模型上述系统模型根据资源共享原则构建，除了定制D2D通信以外，在未来还可以增加异构网络模式选择管理以及其他的软件定义特定功能APP。虚拟资源层可以通过-24- 任意的虚拟基站、虚拟路由、虚拟AP来定制化所需的网络切片。在物理资源层，实际情况下切片1中的用户可以给切片2中用户提供D2D激励协作，在提升自身信誉值的同时提高切片2用户的吞吐量。集中式基站资源来自于不同的InP/MNO，同一基站下会包含多个无线网络资源切片。不同切片内的用户可能形成D2D激励协作的关系[60,61]。如4.2图，集中式的基站下分布着需要进行协作的资源用户（CooperativeSource，CS)，标记为U,k=1,,K(KSLAr1Request2>SLAr2情况316Mbps5MbpsRequest1>SLAr1Request2≤SLAr2-37- a)固定型切片1b)固定型切片2-38- c)增强型切片1d)增强型切片2图5.8情况1下的固定型、增强型切片服务器端接收速率图-39- 以上情况1下的固定型、增强型切片服务器端接收速率图5.8中，切片1、切片2中的用户在服务器的终端的接收速率为8Mbps、10Mbps，与切片1、切片2的用户速率请求量一致，结果表明无论是固定型切片还是增强型切片均能够在预设条件Request1≤SLAr1，Request2≤SLAr2下满足其对应用户速率请求量。a)固定型切片1-40- b)固定型切片2c)增强型切片1-41- d)增强型切片2图5.9情况2下的固定型、增强型切片服务器端接收速率图以上情况2下的固定型、增强型切片服务器端接收速率图5.9中，切片1、切片2中的用户在服务器的终端的接收速率为14Mbps、14Mbps，而切片1、切片2的请求量为15Mbps、18Mbps，结果表明固定型切片和增强型切片均能够在预先设置条件Request1>SLAr1，Request2>SLAr2的情况下，能够到达的速率上限不会超过初始设置SLAr1和SLAr2，因此无法达到其用户速率请求量Request1和Request2，仅能得到各自切片预设的速率上限值。-42- a)固定型切片1b)固定型切片2-43- c)增强型切片1d)增强型切片2图5.10情况3下的固定型、增强型切片服务器端接收速率图以上情况3下的固定型、增强型切片服务器端接收速率图5.10中，固定型切片1、-44- 切片2中的用户在服务器的终端的接收速率为14Mbps、5Mbps，增强型切片1、切片2中的用户在服务器的终端的接收速率为16Mbps、5Mbps，而切片1、切片2中的用户请求量为15Mbps、18Mbps。结果表明固定型切片在预先设置条件Request1>SLAr1，Request2≤SLAr2的情况下，固定型切片1服务器的终端的接收速率14Mbps未达到切片1所要求的16Mbps的速率请求值。而增强型切片能够在预先设置条件Request1>SLAr1，Request2≤SLAr2的情况下，切片1、切片2服务器的终端的接收速率16Mbps、5Mbps，符合超过设定值的切片中用户的终端接受速率等于Request1，多余的带宽速率通过速率接收量等于min{Rmax-SLAr1,Request2}的规律补偿给切片2中的用户。Rmax为切片1和切片2预设带宽对应的速率值。由上述情况1、情况2、情况3得出结论，上述实验测试方案可以实现固定型切片以及增强型切片，且在不同的切片内用户不同请求量下，表现出不一样的特性。总体来说，情况1、情况2下，增强型切片与固定型切片方式均表现了较为良好的性能。均能通过预设带宽来满足不同切片下用户速率需求。但可以进一步证明增强型切片较之于固定型切片性能更加优异，在情况3中说明增强型切片可以通过动态调整来分配系统的总带宽，利用其他切片中预设带宽来补充请求量较大切片，最大限度的满足两切片用户的请求量，而固定型切片方式仅能在不超过SLAr值的前提下尽量满足不同切片下用户速率需求。5.4本章小结本章在集中式蜂窝网架构超级基站平台上构建切片功能的管理模块，通过与现有超级基站上的虚拟基站管控模块的结合，完成了在实际平台上的设计、联调、测试等一系列功能。初步实现在集中式蜂窝网架构超级基站下的接入侧基站的虚拟化。具体包括固定和增强两种模式的切片。通过固定型切片不仅满足运营商定制化切片内用户速率的需求，而且增强型切片还能够通过切片间动态共享保证不同切片代表运营商基本速率需求下基站整体的最大资源利用率。-45- 第六章总结与展望6.1总结网络切片这一概念出现在最新的5G技术白皮书中，是5G网络架构方面的突破技术，引起国内外标准化组织如3GPP、IMT2020的广泛热议和讨论。作为新兴的前沿理念，通过将虚拟化SDNNFV、云平台、物联网等相关技术联系起来，将给现有的传统无线网络带来前所未有的革新。网络切片有希望解决现今无线网络中遇到多数瓶颈，实现容量、频谱效率、连接数的大幅提升。SDNNFV等虚拟化技术在核心网上已经有大量的研究和产出，而对于RAN的虚拟化切片研究才刚刚起步，距离落地商业化还有一段距离。因此本文紧跟前沿，研究虚拟化无线网络资源切片，主要针对RAN侧进行相关网络切片工作进行推进。探讨虚拟化无线网络切片架构的创新以及满足切片基本特性的隔离、定制化、资源利用率的无线资源切片调度。本文的主要工作如下：1.介绍了有线以及核心网网络虚拟化、网络共享下的无线资源网络切片，总结概括了扩展的无线网络资源切片的基本理论及关键特性。2.阐述了经典的SDN/NFV技术，分析各自优缺点，通过对比探究其融合的有利之处。说明虚拟化网络共享下无线网络商用角色模型的发展演进，以及电信联盟ITU愿景中制定的针对未来网络场景的虚拟化无线资源切片。3.在网络虚拟化技术SDNNFV架构基础上，设计了包含接入侧边缘DC、IP承载侧、以及业务侧中心DC三部分独立的互相连接的无线网络架构，构建了一个完整的、可定制化多种未来网络应用场景的无线网络切片架构。4.研究LTE协议下的虚拟化无线网络资源切片调度，在NVS架构基础上进一步拓展了更加细颗粒度的基于RB的调度，优化无线资源利用率。同时依据切片针对RT业务与NRT业务时延上差异定制化不同的策略。5.研究网络虚拟化D2D终端协作的无线资源切片，将基于信誉标签的D2D协作激励与虚拟化无线网络切片结合起来，研究不同切片间用户协作所带来系统增益。6.在中科院计算所集中式蜂窝设备超级基站上构建网络虚拟化无线网络资源切片，探讨5G虚拟化基站的实现，且将设计的简略方案在实际设备上进行测试。-46- 6.2展望网络切片是时下5G网络架构方面研究的热点，本文所进行相关内容研究如虚拟化无线网络资源的调度、无线网络切片与D2D激励协作模式的融合、利用无线网络切片在中科院计算所集中式蜂窝基站设备超级基站上实现虚拟化基站功能等均具有很强的创新性，但由于研究较为前沿新颖，无线接入网侧协议栈和无线射频单元部分的切片还未有定论，参考借鉴文献资料较少使得研究存在一些不足和改进之处，表现为以下几点：1.对于LTE协议栈下的无线网络切片的算法还需要进一步的探讨，可以设立更符合虚拟化集中式网络架构具体设备细节等，进行更细颗粒度的调度，而不仅仅局限于本文所做的流级别的的虚拟化切片调度。2.D2D激励协作与无线网络资源切片的融合的相关研究处于起步阶段，相关领域研究较少，可以进一步探究更多的创新方案和协作算法。3.将网络虚拟化无线资源切片应用到5G基站的虚拟化还需要进一步的完善。由于实际的超级基站设备复杂，加入新的模块需要协调各模块的关系，这对于虚拟化设计方案本身有很高的要求。同时对协议标准也有一定的挑战，而如何实现不同协议栈层的映射也是接下来需要攻关和克服的要点。-47- 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攻读学位期间所取得的相关科研成果一、论文发表[1]庞晓丹,李薇薇,孙茜,田霖.LTE无线网络虚拟化中切片调度策略[J].电信科学,2017,(02):66-72.二、专利[1]孙茜，安琪，庞晓丹，田霖，周一青.接入网侧切片管控设计方案，发明专利（已受理）.三、参与基金[1]国家自然科学基金（61431001）-52- 致谢在此论文完成之际，首先我要向我的导师李薇薇教授三年来对我学术上的精心指导与生活上的关怀表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。感谢李薇薇导师在我硕士阶段学习上生活的帮助。研究课题的设计、实施和论文撰写过程中对我的悉心指导和帮助。在分析问题、解决问题的方法与思路以及待人处世的道理，对我的人生有很大的启发。其次，我感谢所在实习单位同学和同事的帮助。感谢你们在我研究遇到挫折的时候给予我的开导与鼓励，与你们的交流讨论，帮助我更好地理解接入网虚拟化以及资源调度等相关知识。感谢大家创造了积极向上的学习氛围，感染并激励着我认真学习。在外实习一年，不仅有了很多的学业积累，同时也有了很多团队合作的经验，收获颇丰，受益良多。另外，还要感谢我的家人。家人的鼓励和支持是我最坚实的后盾和依仗。在一次次的突破瓶颈，努力上进的过程中，我践行了他们教导的人处世之道，脚踏实地，戒骄戒躁，始终以刻苦、积极、拼搏的姿态坚持进行学术研究。他们对我的爱与付出我终生难以回报。最后，感谢在百忙之中抽出宝贵时问对本论文进行评审匡正的各位评委。感谢所有关心、帮助过我的老师、朋友、同学和亲人，祝福各位事业顺利家庭和美。-53-