【摘要】：近年來,隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和發(fā)展以及智能終端處理能力的不斷提高,移動數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)級增長,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不斷增加基站部署密度,并且多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)部署,使無線網(wǎng)絡(luò)資源管理面臨挑戰(zhàn);而且,用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求呈現(xiàn)多樣化的趨勢,具有不同網(wǎng)絡(luò)能力需求的第三方應(yīng)用井噴式出現(xiàn),使當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)的封閉性和開放式網(wǎng)絡(luò)資源管理需求之間的矛盾日益凸顯;此外,無線網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景也呈現(xiàn)多樣化的趨勢,如何為復(fù)雜的業(yè)務(wù)類型及應(yīng)用場景提供定制化和差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也是無線網(wǎng)絡(luò)中亟需解決的問題。針對無線通信網(wǎng)絡(luò)面臨的問題,本文從無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、資源管理與編排策略的角度展開研究。設(shè)計(jì)了基于微服務(wù)的服務(wù)化5G網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)和能力開放架構(gòu),并分別對服務(wù)化5G網(wǎng)絡(luò)虛擬無線資源管理與編排、核心網(wǎng)資源管理編排與負(fù)載均衡和服務(wù)化的端到端網(wǎng)絡(luò)切片管理進(jìn)行了深入研究。本文的研究成果能夠提高5G無線網(wǎng)絡(luò)資源管理的效率和靈活性、降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)服務(wù)化的5G網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)本文基于微服務(wù)的思想,設(shè)計(jì)了面向5G不同應(yīng)用場景及需求的服務(wù)化5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),在核心側(cè)和接入側(cè)分別進(jìn)行了服務(wù)化設(shè)計(jì)和重構(gòu);針對服務(wù)化5G網(wǎng)絡(luò)資源管理,提出了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化架構(gòu),通過將異構(gòu)無線資源、基帶資源和核心網(wǎng)的計(jì)算資源、存儲資源進(jìn)行虛擬化抽象,能夠?qū)崿F(xiàn)底層基礎(chǔ)設(shè)施資源的共享;并且提出了基于SDN和NFV的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu);此外,針對該無線網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)切片資源管理編排問題,提出了基于隨機(jī)學(xué)習(xí)和拍賣機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)切片資源管理編排算法。本文還設(shè)計(jì)了服務(wù)化5G核心網(wǎng)能力開放架構(gòu),并對該架構(gòu)下的API網(wǎng)關(guān)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方案、能力開放接口協(xié)議及交互機(jī)制、能力開放接口性能提升方案等進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì),通過所提出的能力開放架構(gòu),運(yùn)營商能夠根據(jù)不同的第三方應(yīng)用需求進(jìn)行靈活的網(wǎng)絡(luò)能力開放與管理。(2)服務(wù)化5G網(wǎng)絡(luò)虛擬無線資源管理與編排策略研究針對服務(wù)化5G無線網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)中的虛擬化無線資源分配問題,提出了基于生物種群資源競爭模型的虛擬無線資源分配算法。首先,將多個移動虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的虛擬化無線資源分配問題建模為生物種群的資源競爭模型;然后,提出了基于Lotka-Volterra模型的虛擬無線資源分配算法,并且基于該算法對系統(tǒng)的平衡狀態(tài)進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明,所提出的虛擬無線資源分配算法具有較好的收斂性,并且能夠在系統(tǒng)總效用與公平性之間實(shí)現(xiàn)較好的平衡。此外,還可以基于生物種群模型對系統(tǒng)用戶動態(tài)和系統(tǒng)資源動態(tài)進(jìn)行分析,這有助于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商制定更加高效的管理策略。(3)服務(wù)化5G核心網(wǎng)資源管理編排與負(fù)載均衡研究針對服務(wù)化5G核心網(wǎng)資源管理編排與負(fù)載均衡問題,提出了基于近似雅可比交替方向乘子法(ADMM,Alternating Direction Method of Multipliers)的負(fù)載均衡及資源優(yōu)化算法。首先,將分布式核心網(wǎng)部署架構(gòu)中的負(fù)載均衡和資源優(yōu)化問題建模為系統(tǒng)開銷成本最小化的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題,并同時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)能耗、處理時(shí)延、回傳成本和回傳時(shí)延等。然后,對該優(yōu)化問題進(jìn)行轉(zhuǎn)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的負(fù)載均衡及資源優(yōu)化算法。所提算法能夠有效應(yīng)對回傳網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn),降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商運(yùn)營成本開銷;而且收斂速度較快,迭代過程中信息交互量較少;此外,該算法利于并行計(jì)算,具有較高的運(yùn)行效率。(4)服務(wù)化的端到端網(wǎng)絡(luò)切片管理與編排原型系統(tǒng)針對復(fù)雜的業(yè)務(wù)類型及多樣化的應(yīng)用場景帶來的挑戰(zhàn),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)端到端的切片管理與編排原型驗(yàn)證平臺。首先,研究了服務(wù)化5G網(wǎng)絡(luò)切片管理及部署架構(gòu),并設(shè)計(jì)了該架構(gòu)下的高能效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)遷移方案;然后,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了端到端的服務(wù)化5G網(wǎng)絡(luò)切片管理與編排系統(tǒng)原型驗(yàn)證平臺。通過該原型驗(yàn)證平臺,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商能夠基于通用硬件為用戶提供定制化、有保障的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù),并且能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)監(jiān)控。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5
【圖文】：

巴巴、ｅＢａｙ、亞馬遜等很多大型企業(yè)紛紛采用了ＳＯＡ的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)［１１］。逡逑近年來，ＳＯＡ的思想也被引入到無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中。３ＧＰＰ在最新的Ｒ１５逡逑標(biāo)準(zhǔn)化文稿中提出了服務(wù)化的５Ｇ核心網(wǎng)架構(gòu)如圖１－１所示。該架構(gòu)對傳統(tǒng)逡逑的移動核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了重構(gòu)，各核心網(wǎng)網(wǎng)元被劃分為更加輕量級的網(wǎng)絡(luò)功能逡逑（ＮＦｓ，ＮｅｔｗｏｒｋＦｕｎｃｔｉｏｎｓ）模塊，每個ＮＦ只負(fù)責(zé)單一的網(wǎng)絡(luò)功能，它們相互隔離，逡逑可獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)、演進(jìn)和部署，不同的ＮＦ之間通過ＡＰＩ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ逡逑Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）接口進(jìn)行通信。逡逑ＮＳＳＦ邋｜邋Ｎｇ邋｜邐｜邋ＮＲＦ邋｜邐｜邋ＰＣＦ邋｜邋ＵＤＭ邋｜邋Ｍ邋｜逡逑￣Ａ１＾Ｆ￣｜邋［ａｍＦ］邋［￣ＳＷ］逡逑Ｎ２邐＼邋Ｎ４逡逑ＵＥ邋＾邐邋（Ｒ）ＡＮ邋邐Ｎ３邐邋ＵＰＦ邋——Ｎ６邋邋ＤＮ逡逑圖１－１服務(wù)化的５Ｇ核心網(wǎng)參考架構(gòu)Ｉ１２！逡逑該服務(wù)化架構(gòu)的可重構(gòu)和服務(wù)間松耦合的特性，可以有效地提高５Ｇ無線網(wǎng)逡逑絡(luò)的管理效率和靈活性，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營維護(hù)成本；其平臺和編程語言的獨(dú)立性可逡逑４逡逑

在本文中作者認(rèn)為服務(wù)化的５Ｇ網(wǎng)絡(luò)不僅僅是對傳統(tǒng)的網(wǎng)元設(shè)備進(jìn)行逡逑功能拆分和重構(gòu)，更重要的是如何針對５Ｇ多樣化的業(yè)務(wù)場景和功能需求實(shí)現(xiàn)面逡逑向服務(wù)化的高效網(wǎng)絡(luò)資源管理與編排。如圖１－２所示，作者認(rèn)為５Ｇ網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)逡逑化需要在對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行服務(wù)化重構(gòu)的同時(shí)，研究和設(shè)計(jì)以用戶和服務(wù)為中心、逡逑多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊聯(lián)動的聯(lián)合優(yōu)化機(jī)制。逡逑其中，面向服務(wù)化的虛擬無線資源管理與編排能夠提供滿足用戶需求的無線逡逑資源；通過開放位置服務(wù)、業(yè)務(wù)配置、內(nèi)容緩存和ＱｏＳ管理等網(wǎng)絡(luò)能力，能夠滿逡逑足各種第三方應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)能力需求；通過服務(wù)化核心網(wǎng)資源管理編排與負(fù)載均衡逡逑能夠?qū)崿F(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載管理和資源優(yōu)化；而服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)切片管理與編排和服務(wù)逡逑遷移能夠針對具有差異化服務(wù)需求的５Ｇ應(yīng)用場景提供端到端的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)。逡逑只有從架構(gòu)設(shè)計(jì)、資源管理、能力開放等多個角度進(jìn)行研宄和設(shè)計(jì)，才能在５Ｇ逡逑無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)靈活的管理編排和敏捷業(yè)務(wù)創(chuàng)新，促進(jìn)５Ｇ網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)為逡逑中心向以用戶和服務(wù)為中心轉(zhuǎn)變，充分滿足不斷涌現(xiàn)的新服務(wù)和應(yīng)用需求。逡逑［服務(wù)化５Ｇ網(wǎng)絡(luò)資源管理與編排ｊ逡逑邐Ａ邐Ｎ逡逑ｆ邋服務(wù)化５Ｇ核＇逡逑線網(wǎng)絡(luò)資源、＼邋線ｚ心網(wǎng)資源管理逡逑管理邋Ｊ邐…ｕ｜／逡逑絡(luò)能力開放《＝；：邋艮務(wù)ｙ邐）邐片管理逡逑Ｉ邋＾邐／00＾＼邐—逡逑圖１－２無線網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)化概念逡逑綜上所述，雖然服務(wù)化的設(shè)計(jì)思想具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，并且己經(jīng)開始被引逡逑入５Ｇ無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中

逡逑（３）控制層�？刂茖佑梢粋�或者多個ＳＤＮ控制器（例如：ＯｐｅｎＤａｙｌｉｇｈｔ［１６］、逡逑Ｆｌ00ｄｌｉｇｈｔ［１７＾）組成。通�？刂破饕攒浖问竭\(yùn)行于通用的服務(wù)器上，根據(jù)層應(yīng)用的請求，運(yùn)行各種網(wǎng)絡(luò)控制任務(wù)，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)面的流表配置請求、制定逡逑網(wǎng)絡(luò)控制策略以及下發(fā)流表配置等管理消息。ＳＤＮ控制器在整個架構(gòu)中至關(guān)重逡逑要，一方面它通過北向接口向上層應(yīng)用開放網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)控能力，另一方面通過逡逑南向接口與底層數(shù)據(jù)面進(jìn)行通信，并管理底層的數(shù)據(jù)面設(shè)備，動態(tài)地維護(hù)全局邏逡逑輯網(wǎng)絡(luò)視圖。逡逑（４）北向接口。北向接口是控制層與應(yīng)用層通信的接口，ＳＤＮ控制器通過北逡逑向接口向各種上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開放網(wǎng)絡(luò)管理能力，運(yùn)行于控制器之上的網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)逡逑用能夠通過北向接口向控制層下發(fā)網(wǎng)絡(luò)配置和管理策略，例如：負(fù)載均衡策略、逡逑ＱｏＳ管理策略等。目前，還沒有統(tǒng)一的北向接口標(biāo)準(zhǔn)，不同的ＳＤＮ控制器使用的逡逑北向接口存在差異。逡逑（５）應(yīng)用層。應(yīng)用層由各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用組成，例如：路由管理、負(fù)載均衡和ＱｏＳ逡逑管理等。這些網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用均以軟件形式運(yùn)行于ＳＤＮ控制器之上，因此網(wǎng)絡(luò)管理逡逑者可以通過開發(fā)不同的網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)差異化的網(wǎng)絡(luò)管理策略。這些應(yīng)用通逡逑過北向接口與ＳＤＮ控制器進(jìn)行通信。逡逑

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本文編號：2794832