【摘要】：伴隨著無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求的日益增長和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商面臨以下兩個(gè)挑戰(zhàn)。首先,移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的資本費(fèi)用(CapEx,capital expenses)和運(yùn)營支出(OpEx,operation expenses)費(fèi)用日益增長。第二,各種不同制式的無線網(wǎng)絡(luò)互相獨(dú)立,難以有效地協(xié)調(diào)和使用不同的網(wǎng)絡(luò)資源。無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化(WNV,Wireless Network Virtualization)技術(shù)被視為解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化,移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的物理設(shè)備及其所提供的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可以被解耦:服務(wù)供應(yīng)商通過租用移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的物理設(shè)備為用戶提供不同的無線業(yè)務(wù),從而實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)營商之間的網(wǎng)絡(luò)資源共享。因此,通過無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)可以有效地提升網(wǎng)絡(luò)的資源利用率,同時(shí)降低移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的CapEx 和 OpEx。本論文研究了 LTE網(wǎng)絡(luò)虛擬化和異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中的資源分配問題。主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:第一,研究了 LTE空中接口虛擬化中的功率分配問題。根據(jù)虛擬化架構(gòu)的特點(diǎn),提出一種二階段的功率分配方法。第一階段,引入VCG(Vickrey-Clark-Groves)拍賣初始化功率分配,將服務(wù)供應(yīng)商建模為競拍者,競拍功率資源。第二階段根據(jù)服務(wù)供應(yīng)商的用戶需求動態(tài)地調(diào)整功率分配策略。最后通過仿真對比所提算法和傳統(tǒng)功率分配算法在能量效率(能效)、用戶公平性方面的性能。進(jìn)一步地,研究了 LTE虛擬化中的頻譜-功率聯(lián)合資源分配問題。為了降低問題的復(fù)雜度,將問題解耦為頻譜資源分配問題和功率資源分配問題。首先,引入破產(chǎn)博弈理論解決了頻譜資源分配問題。在此基礎(chǔ)上,引入分式規(guī)劃和凸優(yōu)化解決了功率資源分配問題。最后通過仿真驗(yàn)證了所提算法在網(wǎng)絡(luò)能效、資源分配公平性方面的性能。第二,研究了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中的虛擬化技術(shù)。首先,提出了一種虛擬MAC(Medium Access Control)協(xié)議架構(gòu)。虛擬MAC是一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層,它位于MAC層之上,IP層以下。通過虛擬MAC,可以將不同接入制式的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合到統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中,以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的資源共享。第二,研究了虛擬MAC中的資源分配策略。首先,通過引入業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源之間的適度值,以表征不同網(wǎng)絡(luò)對不同業(yè)務(wù)的承載能力。進(jìn)而,將適度值引入到匹配理論,設(shè)計(jì)了一種基于虛擬MAC的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配策略。第三,設(shè)計(jì)了基于虛擬MAC的用戶移動性管理機(jī)制。最后,對所提出的資源分配策略和移動性管理機(jī)制進(jìn)行仿真,與傳統(tǒng)方法相比較,虛擬MAC能夠有效地降低業(yè)務(wù)中斷率、提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率。第三,基于虛擬MAC的概念,提出一種具有社交意識的虛擬媒體接入控制(SV-MAC,Social-Aware Virtual Medium Access Control)協(xié)議。該協(xié)議將用戶社交性和網(wǎng)絡(luò)虛擬化的特征引入到D2D下墊式異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。SV-MAC融合了異構(gòu)的接入網(wǎng)絡(luò)和不同的通信類型,包括D2D(Device to Device)通信和蜂窩通信。同時(shí),SV-MAC引入了用戶的社交特性,以實(shí)現(xiàn)具有社交意識的D2D發(fā)現(xiàn)、連接和資源分配,以達(dá)到提高D2D通信效率的目的。進(jìn)一步地,為了驗(yàn)證SV-MAC的優(yōu)勢,本文研究了 SV-MAC中的資源分配問題。將資源分配問題建模為最大化蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2D網(wǎng)絡(luò)能效問題�？紤]到蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有更高的優(yōu)先級,本文首先解決蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題以滿足蜂窩用戶的速率需求。然后,在D2D對蜂窩網(wǎng)絡(luò)的干擾約束下,求解了 D2D網(wǎng)絡(luò)資源分配問題。最后引入真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的用戶社交信息以仿真所提出的資源分配方案。相比于已有的資源分配方案,所提出的基于SV-MAC的資源分配方案能夠有效地提升網(wǎng)絡(luò)能效。
【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】：2018
【分類號】：TN92
【圖文】：

圖２－１無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中的商業(yè)模型逡逑綜上所述，移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商亦可稱作設(shè)備供應(yīng)商，而服務(wù)供應(yīng)商亦可稱作虛逡逑

逡逑２．２．１邋ＬＴＥ空中接口虛擬化技術(shù)逡逑圖２－５給出了一個(gè)基于ＬＴＥ空中接口虛擬化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)示意圖，通過逡逑虛擬化的空中接口資源調(diào)度器（ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ），將一個(gè)ＬＴＥ邋ｅＮｏｄｅＢ虛擬化為多個(gè)逡逑虛擬的ｅＮｏｄｅＢ。不同的服務(wù)供應(yīng)商通過使用不同的虛擬ｅＮｏｄｅＢ為用戶提供服逡逑務(wù)。ＬＴＥ虛擬化調(diào)度器根據(jù)服務(wù)供應(yīng)商的業(yè)務(wù)需求和ＬＴＥ邋ｅＮｏｄｅＢ的物理資源狀逡逑況（如資源可用性、信道狀態(tài)等）設(shè)計(jì)資源分配算法（信道分配、功率分配等）逡逑丨２－１３］［２－１４丨丨２－１５】。由于物理資源塊（ＰＲＢ，ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅ邋ｂｌｏｃｋ）是ＬＴＥ網(wǎng)絡(luò)空中逡逑接口資源的最小調(diào)度單位，因此ＬＴＥ的虛擬化空中接口資源調(diào)度器也是以ＰＲＢ逡逑為最小資源分配單位的。圖２－２中，虛擬ｅＮｏｄｅＢ在獲得所分配的帶寬資源后，逡逑通過各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧形成獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供服務(wù)。逡逑卩杝邋ｊ邋ＧＴＰ￣Ｕ＂邐Ｉ．：’曑網(wǎng)邋ＧＴＰ＞Ｕ邐■網(wǎng)邋ＧＴＰ．Ｕ逡逑ＲＬＣ邋ＵＤＰ邐ＲＬＣ邐ＵＤＰ邐ＲＬＣ邋ＵＤＰ￣逡逑邐邋ｉｐ邐邐邋＂邐ｊｐ邐邐逡逑ｃＸ邐ｍｃ邐ｃＳ！邋ＭＡＣ邐ｃｐｚ邐ＭＡＣ逡逑Ｐｒｏｆｉｌｅ邐ＰＨＹ邋ａ邐１００ＢａｓｅＴ邋Ｐｒｏｆｉｌｅ邋ＰＨＶ７邐Ｂａｓｅｌ邋Ｐｒｏｆｉｌｅ邐ＰＨＹＡ邐１００ＢａｓｅＴ逡逑▲邋邐Ｔ邋＾邋ｆ邐邋Ｔ邋ｔ逡逑｜逡逑Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ逡逑圖２－２邋ＬＴＥ空中接□虛擬化模型示意圖逡逑文獻(xiàn)｜２￣］定義了四種ＬＴＥ空中接口虛擬化的資源調(diào)度策略（帶寬分配）：１）逡逑固定帶寬分配策略

提出算法的公平性，并仿真對比了所提算法和傳統(tǒng)算法的性能。逡逑３．１．１系統(tǒng)模型逡逑圖３－１給出了邋ＬＴＥ空中接口虛擬化的模型。一個(gè)ＬＴＥ邋ｅＮｏｄｅＢ被虛擬成為多逡逑個(gè)虛擬ｅＮｏｄｅＢ，每個(gè)虛擬ｅＮｏｄｅＢ分配給一個(gè)服務(wù)供應(yīng)商。ＬＴＥｅＮｏｄｅＢ中的虛逡逑擬化資源控制器（ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ）負(fù)責(zé)將ＬＴＥ邋ｅＮｏｄｅＢ中的物理資源分配到各個(gè)虛擬逡逑ｅＮｏｄｅＢ中。ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ沒有直接訪問移動用戶信息的權(quán)限，只能通過服務(wù)供應(yīng)商逡逑間接獲得用戶信息并進(jìn)行資源分配。為了完成資源分配決策，ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ需要具逡逑有獨(dú)立的存儲空間和計(jì)算單元。逡逑服務(wù)供應(yīng)商周期性地收集移動用戶的信道狀態(tài)信息和速率需求，并匯報(bào)給逡逑ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ。Ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ根據(jù)這些信息進(jìn)行資源分配決策。在獲得所分配的資源后，逡逑服務(wù)供應(yīng)商通過各自的ＭＡＣ調(diào)度器和ＰＨＹ處理器，以實(shí)現(xiàn)物理上的信號傳輸逡逑并為用戶提供服務(wù)。由于不同的服務(wù)供應(yīng)商之間具有資源競爭關(guān)系，因此，服務(wù)逡逑供應(yīng)商為了自己的利益（例如獲取更多的資源以便于擴(kuò)大所運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、吸逡逑引更多的用戶、為用戶提供更好的服務(wù)等）

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