發(fā)布時(shí)間：2020-05-25 05:35

【摘要】：下一代無線通信系統(tǒng)(5G)采用多種無線接入技術(shù)共存的方式來提高網(wǎng)絡(luò)接入容量,為用戶提供穩(wěn)定的高速率接入。與此同時(shí),5G系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)的控制和承載分離,利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將各類虛擬化資源在網(wǎng)絡(luò)中高效分配和靈活調(diào)度,可以根據(jù)用戶不同業(yè)務(wù)的性能指標(biāo)要求,有效管控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛡鬏斅酚�。因�?5G系統(tǒng)的分布式特征比以往任何一代通信系統(tǒng)都更加突出。首先,5G系統(tǒng)中的無線接入點(diǎn)往往是采用不同無線接入技術(shù)的基站,每種類型的基站有著不同的資源使用方式。異構(gòu)的接入場景可以使得不同接入技術(shù)的基站實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)。其次,網(wǎng)絡(luò)切片中使用和調(diào)度的虛擬網(wǎng)絡(luò)資源往往來自網(wǎng)絡(luò)不同位置上的設(shè)備,彈性的網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)可以輕松支持分布式設(shè)備間的資源共享。由此可見,5G系統(tǒng)的分布式特征使得網(wǎng)絡(luò)資源的共享水平提升到了一個(gè)新高度。然而,網(wǎng)絡(luò)資源共享水平的不斷提高,使得5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營模式產(chǎn)生新的變化。新出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營角色會參與或影響網(wǎng)絡(luò)資源的分配,資源分配方式也從傳統(tǒng)的集中式變成了分布式。因此,在分布式的體系結(jié)構(gòu)下,實(shí)現(xiàn)各個(gè)獨(dú)立個(gè)體間的高效資源分配,是5G系統(tǒng)充分發(fā)揮資源共享技術(shù)優(yōu)勢的重要挑戰(zhàn)。此外,由于個(gè)體的自私性和競爭關(guān)系,資源分配過程中可能無法獲取完全的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息,利用傳統(tǒng)的優(yōu)化理論來解決分布式的資源分配問題有著必然的局限。鑒于經(jīng)濟(jì)理論中的博弈論、拍賣理論和智能學(xué)習(xí)算法可以有效解決復(fù)雜的分布式資源分配問題,本論文依托相關(guān)手段,對5G系統(tǒng)異構(gòu)場景下的接入資源分配和網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)模式下的資源分配問題進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容包含以下四個(gè)部分:(1)異構(gòu)場景下基于多階段博弈的小蜂窩基站接入資源分配;(2)基于結(jié)對競價(jià)的網(wǎng)絡(luò)切片資源雙向拍賣機(jī)制;(3)基于多臂機(jī)的網(wǎng)絡(luò)切片重選及資源分配機(jī)制;(4)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)切片資源動態(tài)分配機(jī)制。第一部分研究了5G系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景下,不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商競爭毫微微小區(qū)接入點(diǎn)(Femtocell Access Point,FAP)接入資源的問題。由于5G系統(tǒng)中室內(nèi)數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長,移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商(Mobile Network Operator,MNO)和移動虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商(Mobile Virtual Network Operator,MVNO)出于成本的考慮,往往都租用Femtocell為用戶提供接入服務(wù)。而不同的Femtocell所有者(Femtocell Holder,FH)在資源空閑的情況下,也愿意出租接入資源獲得收益。于是,本文提出一種多階段博弈框架,保證FH所屬的FAP能夠選擇最優(yōu)的資源分配方案為不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的宏蜂窩用戶提供接入服務(wù),從而提高網(wǎng)絡(luò)整體資源利用效率。該框架在第一階段通過反向拍賣模型挑選出FH的獲勝FAP,然后在第二階段將獲勝FAP對不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的接入資源分配建模為一個(gè)Stackelberg博弈模型,最后通過求解該模型的納什均衡(Nash Equilibrium,NE)得到最優(yōu)的資源分配策略。理論分析證明了多階段博弈框架中NE的唯一存在性,仿真結(jié)果則驗(yàn)證了該框架提高網(wǎng)絡(luò)整體資源利用效率的有效性。第二部分研究了5G系統(tǒng)資源全共享的架構(gòu)下,不同移動虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商MVNO在部署網(wǎng)絡(luò)切片時(shí)的資源分配問題。在5G系統(tǒng)中,基礎(chǔ)設(shè)施提供商(Infrastructure Provider,InP)借助虛擬化技術(shù),將物理網(wǎng)絡(luò)抽象成多個(gè)隔離的網(wǎng)絡(luò)切片,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片可以作為虛擬網(wǎng)絡(luò)由不同的MVNO來運(yùn)營。為了充分利用網(wǎng)絡(luò)資源,本文構(gòu)建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片市場模型,允許不同的MVNO可以從不同的InP租用具有特定服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保證的各類網(wǎng)絡(luò)切片,從而為用戶提供不同需求的服務(wù)。同時(shí),本文提出一種結(jié)對報(bào)價(jià)的雙向拍賣機(jī)制來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片部署過程中的資源分配。雙向拍賣機(jī)制先通過自然排序使出價(jià)最高的MVNO和要價(jià)最低的InP進(jìn)行匹配和結(jié)對出價(jià),然后利用反向拍賣機(jī)制挑選出獲勝結(jié)對。獲勝結(jié)對再根據(jù)系統(tǒng)下發(fā)的資源成交價(jià),調(diào)整自己的出價(jià)和要價(jià)策略,從而使資源分配方案的社會效益最大。理論分析表明所提出的雙向拍賣機(jī)制具備了拍賣的經(jīng)濟(jì)特性,而仿真結(jié)果表明該機(jī)制無需收集有關(guān)MVNO和InP的競爭策略和效用函數(shù)的完整信息,就可以顯著提高整體網(wǎng)絡(luò)資源分配效率。第三部分研究了網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)模式下,切換用戶的網(wǎng)絡(luò)切片重選和資源分配問題。在5G系統(tǒng)完成網(wǎng)絡(luò)切片的部署后,用戶會依據(jù)系統(tǒng)分配的網(wǎng)絡(luò)切片編號,接入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片接受服務(wù)。然而,在用戶移動過程中,由于提供接入服務(wù)的備選基站可能沒有部署相同編號的網(wǎng)絡(luò)切片,用戶業(yè)務(wù)面臨中斷的風(fēng)險(xiǎn)。于是,本文提出了一種基于多臂機(jī)的網(wǎng)絡(luò)切片重選和資源分配機(jī)制,可以為切換用戶進(jìn)行合適的切片選擇和資源分配,從而保證用戶服務(wù)的連續(xù)性。該機(jī)制首先從經(jīng)濟(jì)效率的角度出發(fā),為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了切換效益函數(shù),要求系統(tǒng)在響應(yīng)用戶的切換請求時(shí),能夠保證長期切換效益函數(shù)最大化。然后,該機(jī)制利用多臂機(jī)智能算法使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了切換策略和資源分配方案的調(diào)優(yōu),從而得到最優(yōu)的長期切換效益。最后,本文在仿真實(shí)驗(yàn)中對比分析了所提機(jī)制與典型的貪心機(jī)制的性能,并研究了系統(tǒng)模型各項(xiàng)參數(shù)對切換效益的影響。第四部分研究了移動用戶切片重選失效而引發(fā)的資源動態(tài)分配問題。在5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)模式下,網(wǎng)絡(luò)切片可以根據(jù)用戶需求的變化而進(jìn)行彈性調(diào)整�？紤]到切換用戶在切片切換過程中,仍然存在相鄰基站的已有切片無法滿足自身服務(wù)QoS要求的問題,本文提出一種保證長期資源調(diào)度收益最大的資源動態(tài)分配機(jī)制。該機(jī)制可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的用戶切換請求和切片服務(wù)情況,將預(yù)留的動態(tài)資源分配到切換用戶的相鄰基站來構(gòu)造臨時(shí)切片,并在服務(wù)完用戶后進(jìn)行回收。本文利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法對資源的動態(tài)分配進(jìn)行了方案設(shè)計(jì),并借助Actor-Critic(AC)算法實(shí)現(xiàn)了資源的有效分配。最后,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了面向用戶切換的網(wǎng)絡(luò)切片資源動態(tài)分配機(jī)制的有效性,也分析了系統(tǒng)模型各項(xiàng)參數(shù)對資源調(diào)度收益的影響。
【圖文】：

移動性管理等，業(yè)務(wù)適應(yīng)性較差。如果業(yè)務(wù)流程變化，往往需要重新購買新的模塊，網(wǎng)絡(luò)資源利用率較低。在 5G 系統(tǒng)中，為了在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù) QQuality of Service）的服務(wù)能力，需要網(wǎng)絡(luò)具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜涂焖俚馁Y源，于是基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NetworkFunctionVirtualization，NFV）和 SDN絡(luò)切片逐漸成為 5G 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的重要實(shí)現(xiàn)方式[17-22]。NFV 利用 IT 領(lǐng)域的虛擬化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件資源抽象為最基本的網(wǎng)能邏輯單元，即虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VirtualNetworkFunction，VNF）實(shí)例。而 VN于所使用的資源類型的不同，可以具備不同的功能。不同的 VNF 不受任何硬備的限制，可在通用硬件設(shè)備上運(yùn)行。通過軟件編排重組，多個(gè) VNF 可以形到端的功能鏈為用戶提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。而 SDN 作為 NFV 技術(shù)的補(bǔ)充，可以有效進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制平面和數(shù)據(jù)平解耦，并將控制平面從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件中分離出來進(jìn)行集中控制。通過控制平集中管理，SDN 可以獲取全網(wǎng)視圖和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并根據(jù)管理策略控制網(wǎng)備的工作狀態(tài)。因此，借助 SDN，網(wǎng)絡(luò)中的 VNF 實(shí)例被有效管理起來，可以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的彈性需求，實(shí)現(xiàn)靈活的協(xié)作和調(diào)配。

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文斷加深而發(fā)生調(diào)整。傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)運(yùn)營模式中，主要存在移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 M務(wù)提供商 SP 兩種角色。MNO 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營，而 S MNO 的網(wǎng)絡(luò)來為用戶提供業(yè)務(wù)服務(wù)。在采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)后，網(wǎng)絡(luò)的基過虛擬化，也實(shí)現(xiàn)了控制功能和業(yè)務(wù)功能的分離，由此將 MNO 的基礎(chǔ)設(shè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營兩種職責(zé)進(jìn)行了剝離，而某些 MNO 也就分化為基礎(chǔ)設(shè)施提供商動虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 MVNO。其中，InP 主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維授權(quán)頻段和物理網(wǎng)元。而 MVNO 則主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營，通過租用 InP 的來為自己的訂閱用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。而 SP 則因?yàn)橛脩粢苿踊ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的通過發(fā)展自身特色業(yè)務(wù)的時(shí)候，，逐漸分化為不同的 OTT 服務(wù)商。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5;F623

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本文編號：2679653