【摘要】：霧無線接入網(wǎng)(F-RAN,Fog Radio Access Network)是一種具有集中式管理和分布式計(jì)算能力的新型接入網(wǎng)絡(luò),具有協(xié)作無線通信和計(jì)算資源虛擬化的特點(diǎn),可滿足大容量、低時(shí)延、高能效的性能需求,已成為第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(5G,Fifth Generation Mobile Network)及后5G的重要組成形式。F-RAN由三個(gè)關(guān)鍵部分組成:無線云中心、霧節(jié)點(diǎn)和傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中,無線云中心(主要由通用處理器構(gòu)成)負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)全局信息的收集和管理,促使霧節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作多點(diǎn)通信以及全網(wǎng)的資源(如通信、計(jì)算等)協(xié)同;霧節(jié)點(diǎn)(如由通用處理器和遠(yuǎn)端無線射頻頭組合而成的組件)則具有邊緣計(jì)算能力和無線通信能力,負(fù)責(zé)快速高效的計(jì)算和通信響應(yīng);而傳輸網(wǎng)絡(luò)則連接了無線云中心和霧節(jié)點(diǎn)。在F-RAN這種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下,通過合理的資源虛擬化和分配,可以提高網(wǎng)絡(luò)通信資源(包括無線資源和傳輸網(wǎng)絡(luò)資源)和計(jì)算資源的利用率,降低網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)能耗,并為各種新興業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保障。在F-RAN中,一方面霧節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作多點(diǎn)通信可以改善鏈路可靠性,為數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù)提供大容量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);另一方面無線云中心和霧節(jié)點(diǎn)間的分布式計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)邊緣化,為計(jì)算饑餓型業(yè)務(wù)提供低時(shí)延的應(yīng)用級(jí)處理服務(wù)。因此,要想在降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)保障多元化新興業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量成為F-RAN必須解決的難題。其具體包括:1)移動(dòng)業(yè)務(wù)服務(wù)過程中的處理與通信過程存在不同的依托關(guān)系。例如,數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù)主要在于數(shù)據(jù)的分組傳輸,其處理過程服務(wù)于通信過程。而計(jì)算饑餓型業(yè)務(wù)主要在于應(yīng)用級(jí)數(shù)據(jù)處理,其通信過程服務(wù)于處理過程。那么,通過虛擬化技術(shù),應(yīng)如何配置無線云中心和霧節(jié)點(diǎn)處的計(jì)算功能來支撐不同特性的移動(dòng)業(yè)務(wù)?2)移動(dòng)業(yè)務(wù)具有差異化的服務(wù)質(zhì)量需求。例如,時(shí)延容忍的數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù)需要保障的平均分組時(shí)延、時(shí)延敏感的數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù)需要保障的傳輸速率而時(shí)延敏感的計(jì)算饑餓型業(yè)務(wù)需要保障的應(yīng)用執(zhí)行時(shí)延。那么,應(yīng)如何建立能夠刻畫業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的計(jì)算與通信資源轉(zhuǎn)換模型,并在此基礎(chǔ)上,靈活配置網(wǎng)絡(luò)資源,以在保障業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)有效降低系統(tǒng)能耗?鑒于此,本文旨在研究F-RAN在不同移動(dòng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景下所面臨的計(jì)算與通信協(xié)同問題。具體研究?jī)?nèi)容如下:1.針對(duì)時(shí)延容忍的數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù),提出了基于虛擬機(jī)最小權(quán)重匹配和霧節(jié)點(diǎn)混合成簇的綠色計(jì)算與通信協(xié)同方法,在保障用戶平均分組時(shí)延的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功耗最小化。本文首先通過虛擬化技術(shù),在F-RAN無線云中心和霧節(jié)點(diǎn)里協(xié)同部署用戶級(jí)和小區(qū)級(jí)通信處理功能,即形成虛擬機(jī)來完成數(shù)據(jù)分組傳輸過程中的不同處理功能需求,以在減緩傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)霧節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作多點(diǎn)通信;然后,采用串型隊(duì)列排隊(duì)模型來刻畫無線云中心的用戶級(jí)通信處理過程和霧節(jié)點(diǎn)的小區(qū)級(jí)通信處理過程及無線傳輸過程,并以數(shù)據(jù)分組的平均時(shí)延為基礎(chǔ),建立了F-RAN中計(jì)算與通信資源的轉(zhuǎn)換模型;最后,結(jié)合虛擬機(jī)分配和霧節(jié)點(diǎn)成簇方法,靈活配置網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算和通信資源,從而在保障用戶平均分組時(shí)延的條件下最小化了系統(tǒng)功耗。仿真結(jié)果表明,所提出的方法能夠權(quán)衡此消彼長的計(jì)算和通信功耗,從而有效降低系統(tǒng)功耗。2.針對(duì)時(shí)延敏感的數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù),提出了基于迭代類注水計(jì)算量分布算法和霧節(jié)點(diǎn)波束賦形的綠色計(jì)算和通信協(xié)同方法,在保障用戶信干噪比(SINR,Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功耗最小化。本文首先通過虛擬化技術(shù),在F-RAN無線云中心和霧節(jié)點(diǎn)里形成虛擬機(jī)來分別完成數(shù)據(jù)分組傳輸過程中的用戶級(jí)和小區(qū)級(jí)通信處理功能需求,以在減緩傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)霧節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作多點(diǎn)通信;然后,通過Intel公司擬合的計(jì)算量-傳輸天線數(shù)-比特效率函數(shù)關(guān)系,并以用戶的SINR為基礎(chǔ),建立了F-RAN中計(jì)算與通信資源的轉(zhuǎn)換模型;最后,結(jié)合虛擬機(jī)放置和霧節(jié)點(diǎn)波束賦形方法,靈活配置網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算和通信資源,從而在保障用戶SINR的條件下最小化了系統(tǒng)功耗。仿真結(jié)果表明,所提出的方法能夠有效降低所需激活的處理器數(shù)目,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率節(jié)省。3.針對(duì)時(shí)延敏感的計(jì)算饑餓型業(yè)務(wù),提出了基于迭代調(diào)整虛擬機(jī)頻率和無線傳輸功率的綠色計(jì)算與通信協(xié)同方法,在保障用戶應(yīng)用執(zhí)行時(shí)延的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能耗最小化。本文首先通過虛擬化技術(shù),在F-RAN無線云中心和霧節(jié)點(diǎn)里均形成虛擬機(jī)來完成數(shù)據(jù)應(yīng)用級(jí)處理過程中的數(shù)據(jù)通信處理和應(yīng)用級(jí)處理功能需求,以實(shí)現(xiàn)無線云中心和霧節(jié)點(diǎn)間的并行計(jì)算,同時(shí)減輕傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān);然后,根據(jù)計(jì)算饑餓型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸量和計(jì)算量已知的特點(diǎn),并以用戶的應(yīng)用執(zhí)行時(shí)延為基礎(chǔ),將計(jì)算和通信資源轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的時(shí)間維度建立二者間的轉(zhuǎn)換模型;最后,結(jié)合虛擬機(jī)頻率調(diào)整和無線傳輸功率分配方法,靈活配置網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算和通信資源,從而在保障用戶應(yīng)用執(zhí)行時(shí)延的條件下最小化了系統(tǒng)能耗。仿真結(jié)果表明,所提出的方法不僅能改善最小可支持的應(yīng)用執(zhí)行時(shí)延,還能在滿足應(yīng)用執(zhí)行時(shí)延需求時(shí)有效降低系統(tǒng)能耗。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN92

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本文編號(hào)：2726203