無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

馮志勇　馮澤冰　張奇勛

摘要：提出采用集中式和分布式的動(dòng)態(tài)頻譜管理技術(shù)來(lái)提升頻譜資源利用效率，解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中頻譜資源難以高效分配與不易管理難題；認(rèn)為為了構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定、靈活和開(kāi)放的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)，需要從虛擬網(wǎng)絡(luò)的隔離、信令優(yōu)化設(shè)計(jì)、通用接口設(shè)計(jì)、用戶移動(dòng)性管理等方面開(kāi)展研究。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化；資源虛擬化；動(dòng)態(tài)頻譜管理

云計(jì)算和計(jì)算機(jī)虛擬化已經(jīng)成為推動(dòng)IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。網(wǎng)絡(luò)虛擬化的提出將路由和交換功能虛擬化，用戶可以根據(jù)各自需求傳輸業(yè)務(wù)，而無(wú)須考慮端到端過(guò)程中每一跳是如何建立連接的[1-2]。隨著多種無(wú)線通信技術(shù)日益成熟和多樣化移動(dòng)服務(wù)大量涌現(xiàn)，未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出密集部署、多樣業(yè)務(wù)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存的多樣化形態(tài)。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的兼容性、用戶對(duì)不同無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的選擇、異構(gòu)網(wǎng)間切換等問(wèn)題，是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的提出為異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供了一種有效管理方式，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的抽象和統(tǒng)一表征、資源共享和高效復(fù)用，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共存與融合。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化可使復(fù)雜多樣的網(wǎng)絡(luò)管控功能從硬件中解耦出來(lái)，抽取到上層做統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理，從而降低網(wǎng)絡(luò)管理成本，提升網(wǎng)絡(luò)管控效率。集中化控制使得沒(méi)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)提供商也可以為用戶提供差異化的服務(wù)。然而，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨以下難題：首先，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源既包含物理資源（如網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施），也包含頻譜資源，而且頻譜資源在頻域上跨度大，從幾十赫茲到百兆赫茲甚至吉赫茲，不同頻率頻譜資源的傳播特性存在較大差異，其中還包括授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫螒B(tài)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化、多樣化的特征，如自組織網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。其次，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能還受到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)間的干擾影響。不同制式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)存在差異化，硬件設(shè)備功能不同，將導(dǎo)致不同網(wǎng)絡(luò)資源的使用方式存在差異，異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合困難。因此，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)、虛擬化控制方式以及資源虛擬化管理等方面將是實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化所需關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文首先針對(duì)3GPP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的虛擬化架構(gòu)進(jìn)行分析；其次，研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化和資源管理方法；進(jìn)一步，研究并分析了典型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式。最后，簡(jiǎn)要分析了未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化面臨的挑戰(zhàn)。

1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在有線網(wǎng)絡(luò)中已得到了廣泛的應(yīng)用，包括：虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、多標(biāo)簽協(xié)議交換（MPLS）、異步傳輸模式（ATM）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。這些技術(shù)手段能在相同物理基礎(chǔ)設(shè)施上虛擬出相互隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò)供不同用戶使用。但是這些技術(shù)都是針對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有考慮如何針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行虛擬化的問(wèn)題。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，因此在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化設(shè)計(jì)中需要考慮信道的不確定性、功率控制、信令開(kāi)銷等問(wèn)題。這樣的復(fù)雜性使得有線網(wǎng)絡(luò)的虛擬化技術(shù)不能直接搬到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用。如何將網(wǎng)絡(luò)虛擬化的思想引入到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，并逐漸成為研究熱點(diǎn)。針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道時(shí)變、業(yè)務(wù)多樣、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要合適的構(gòu)架來(lái)支撐。針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化問(wèn)題，現(xiàn)有研究中關(guān)于架構(gòu)的研究取得了初步進(jìn)展。

1.1 接入網(wǎng)虛擬化

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP的系統(tǒng)架構(gòu)工作組已經(jīng)開(kāi)展符合技術(shù)演進(jìn)的虛擬化架構(gòu)—無(wú)線接入網(wǎng)共享增強(qiáng)（RSE），并定義了多個(gè)運(yùn)營(yíng)商共享無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）資源的場(chǎng)景[3]，提出了網(wǎng)關(guān)核心網(wǎng)（GWCN）和多運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)絡(luò)（MOCN）兩個(gè)參考框架。接入網(wǎng)虛擬化框架如圖1所示。GWCN方案通過(guò)多個(gè)運(yùn)營(yíng)商共享移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理和承載管理等功能的共享。MOCN方案中各運(yùn)營(yíng)商采用各自完整的核心網(wǎng)，僅在eNodeB層面進(jìn)行資源共享。

3GPP組織定義接入網(wǎng)虛擬化的目標(biāo)在于通過(guò)共享接入網(wǎng)絡(luò)資源，提升多個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源整體利用效率，滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆炸式增長(zhǎng)所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)容量增長(zhǎng)的需求，主要包含以下幾方面：

（1）根據(jù)相關(guān)的共享協(xié)議和/或政策，能夠使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源在網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間進(jìn)行共享。

（2）根據(jù)不同無(wú)線接入共享場(chǎng)景，能夠高效的共享無(wú)線接入資源。

（3）針對(duì)更細(xì)時(shí)間粒度下的需求，能夠靈活和動(dòng)態(tài)的分配無(wú)線接入資源。

（4）根據(jù)相關(guān)的共享協(xié)議和/或政策，能夠合理高效的解決網(wǎng)絡(luò)過(guò)載問(wèn)題。

針對(duì)以上需求，RSE的實(shí)現(xiàn)需要以下4種功能：

（1）無(wú)線接入網(wǎng)擁有者一方面需要允許共享接入網(wǎng)資源的參與運(yùn)營(yíng)商（例如虛擬運(yùn)營(yíng)商）獲得相應(yīng)的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)資源，另一方面也需要這些參與運(yùn)營(yíng)商有同等機(jī)會(huì)獲取無(wú)線接入網(wǎng)擁有者對(duì)網(wǎng)絡(luò)操作管理與維護(hù)的狀態(tài)信息。

（2）參與運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量需求的變化，提出不同的接入網(wǎng)絡(luò)資源需求，以滿足業(yè)務(wù)需求，例如虛擬運(yùn)營(yíng)商在工作忙時(shí)需要更多網(wǎng)絡(luò)資源滿足容量需求，而在晚上或者周末等閑時(shí)僅需要占用少量無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)資源。

（3）無(wú)線接入網(wǎng)擁有者根據(jù)參與運(yùn)營(yíng)商的容量需求變化，自主重配置無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)資源，盡量滿足共享網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)QoS。

（4）無(wú)線接入網(wǎng)擁有者需要依據(jù)參與運(yùn)營(yíng)商的資源分配情況和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，執(zhí)行合理的負(fù)載均衡措施。尤其當(dāng)小區(qū)出現(xiàn)過(guò)載情況，無(wú)線接入網(wǎng)擁有者可以根據(jù)每個(gè)參與運(yùn)營(yíng)商可承受的最大負(fù)載情況，合理的將用戶卸載到其他小區(qū)。

以上是3GPP組織提出的無(wú)線接入網(wǎng)共享增強(qiáng)RSE方案，通過(guò)自主動(dòng)態(tài)的調(diào)整無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)資源，以實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)資源的有效共享。這種共享方式可以有效的帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)界和運(yùn)營(yíng)商的商業(yè)模式轉(zhuǎn)變。此工作已由TR 22.852完成，并將開(kāi)始新一輪后續(xù)研究工作。

1.2 全網(wǎng)虛擬化

無(wú)線全網(wǎng)絡(luò)虛擬化中網(wǎng)絡(luò)可以由服務(wù)供應(yīng)商（SP）和基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商（InP）組成?；A(chǔ)設(shè)施服務(wù)商負(fù)責(zé)生產(chǎn)和管理從接入網(wǎng)到核心網(wǎng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，譬如基站設(shè)備等，服務(wù)供應(yīng)商負(fù)責(zé)為用戶提供多樣化的業(yè)務(wù)[4]?；A(chǔ)設(shè)施服務(wù)商的資源往往虛擬化為多個(gè)子部分，服務(wù)供應(yīng)商根據(jù)用戶需求，請(qǐng)求相應(yīng)的子部分資源，為終端用戶提供端到端服務(wù)，并忽略底層物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差異。這樣每一子部分都認(rèn)為其本身是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包含（虛擬）核心網(wǎng)和（虛擬）接入網(wǎng)，這些子部分也稱為虛擬網(wǎng)絡(luò)[5]。endprint

圖2是服務(wù)供應(yīng)商和基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。如果設(shè)備商在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)有共同的基礎(chǔ)設(shè)施（基站）覆蓋，則其資源可以被不同的服務(wù)商共享使用。圖中基站A和基站B屬于InP1，基站C和基站D屬于InP2，上層的資源管理實(shí)體采用集中方式來(lái)管理InP之間的協(xié)作和隔離。重疊覆蓋的基站（如A和B）為服務(wù)供應(yīng)商按需提供物理資源，這種方式淡化了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備和設(shè)備商的隸屬關(guān)系，而演變?yōu)橘Y源池的方式供SP按照最優(yōu)資源分配或者最小代價(jià)來(lái)使用。但是，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要明確不同InP的基站覆蓋范圍。否則，會(huì)由于服務(wù)提供商用戶不被InP覆蓋造成服務(wù)空洞。

SP和InP也可分別成為移動(dòng)虛擬運(yùn)營(yíng)商（MVNO）和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商（MNO）[6]。很多國(guó)家已經(jīng)頒布政策要求運(yùn)營(yíng)商開(kāi)放其無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)資源給虛擬運(yùn)營(yíng)商，鼓勵(lì)多元化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。這樣一方面移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)將無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)資源租賃給虛擬運(yùn)營(yíng)商獲取利潤(rùn)，同時(shí)也為自身騰出空間發(fā)展最擅長(zhǎng)的通信技術(shù)，研發(fā)基站設(shè)備和實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的運(yùn)營(yíng)維護(hù)等。另一方面，虛擬運(yùn)營(yíng)商可以發(fā)揮其市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，投入更多精力在用戶市場(chǎng)需求分析預(yù)測(cè)、新型增值業(yè)務(wù)和功能化業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)與推廣等工作，為用戶提供更為專業(yè)和定制化服務(wù)，在獲取市場(chǎng)利潤(rùn)的同時(shí)，提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)空閑資源的利用效率，進(jìn)一步提升了整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量。

2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別在于無(wú)線傳輸鏈路易受環(huán)境影響而對(duì)信號(hào)造成衰減。由于無(wú)線鏈路具有廣播性質(zhì)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)可以被其他多個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取。因此，需要通過(guò)時(shí)間、頻率或者碼字等不同的維度來(lái)區(qū)分無(wú)線信號(hào)，以降低多條無(wú)線鏈路之間的干擾。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中，虛擬化節(jié)點(diǎn)和鏈路也需要通過(guò)不同的維度（時(shí)間、頻率、空間、碼字等）來(lái)避免不同虛擬鏈路之間的干擾。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化的關(guān)鍵問(wèn)題是如何將網(wǎng)絡(luò)底層各個(gè)維度資源與網(wǎng)絡(luò)需求相匹配。網(wǎng)絡(luò)底層資源可以分為多個(gè)正交的維度，例如：時(shí)間、頻率和空間等，并可以定義每個(gè)維度的能力大小。簡(jiǎn)單的說(shuō)，如果有一個(gè)虛擬化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持頻分復(fù)用（FDD）和時(shí)分復(fù)用（TDM）方式，包括：頻域和時(shí)域兩個(gè)維度。當(dāng)一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)采用802.11b協(xié)議傳輸時(shí)，其頻域上的能力值為3，因?yàn)?02.11b協(xié)議支持3個(gè)互不干擾的正交信道，而時(shí)域上的能力值需要根據(jù)單位時(shí)隙的長(zhǎng)度和子幀長(zhǎng)度來(lái)確定。虛擬網(wǎng)絡(luò)對(duì)資源的需求也可以劃分為多個(gè)維度，而且網(wǎng)絡(luò)底層的各維度必須要大于虛擬網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)維度資源的需求。因此，網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化表征與利用方式如圖3所示。

以3個(gè)維度的資源為例，圖3中長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬高對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)底層各維度可用資源的大小。網(wǎng)絡(luò)資源需求可以認(rèn)為是小的長(zhǎng)方體，這樣無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的最佳利用方案是使得各個(gè)維度的資源能夠充分被利用，反映在圖3中長(zhǎng)方體如何優(yōu)化填充的過(guò)程，即保證資源空間內(nèi)留下的空洞最小。在實(shí)際資源分配過(guò)程中，不僅需要考慮資源的大小，還需要考慮資源的質(zhì)量（如不同頻段的頻譜傳播特性的差異性）。

3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化關(guān)鍵技術(shù)

進(jìn)一步考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化關(guān)鍵技術(shù)，本文重點(diǎn)分析基站虛擬化關(guān)鍵技術(shù)，并提出無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中動(dòng)態(tài)頻譜管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。

3.1 基站虛擬化技術(shù)

基站虛擬化技術(shù)可通過(guò)基站集中式放置、基站間協(xié)作以及分布式天線實(shí)現(xiàn)，根據(jù)基站服務(wù)區(qū)域的實(shí)際需求，為基站動(dòng)態(tài)分配無(wú)線資源和配置系統(tǒng)參數(shù)，提升基站處理能力和效率，大幅降低成本和提升系統(tǒng)性能。

網(wǎng)絡(luò)虛擬底層（NVS）[7]是基站虛擬化實(shí)現(xiàn)的主要方式之一，其目標(biāo)是對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬化并完成最優(yōu)資源分配。首先，NVS需要具備一定的隔離功能，譬如兩個(gè)共享基站的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，其中一個(gè)實(shí)體中的用戶由于業(yè)務(wù)量變化、位置移動(dòng)或者信道條件波動(dòng)，NVS需要確保另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體不受影響；其次，NVS需要提供可定制化的功能，使共享基站資源的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體對(duì)基站在一定程度可控，以達(dá)到業(yè)務(wù)的最優(yōu)傳輸，這與無(wú)線接入網(wǎng)共享增強(qiáng)RSE中的網(wǎng)絡(luò)操作管理與維護(hù)是相似的；最后，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間可以按照容量需求，合理共享資源，提高資源利用效率。在此基礎(chǔ)上，我們把實(shí)際的物理網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)（Slice），每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)由不同的流（Flow）組成，共享物理基站的無(wú)線資源。NVS的實(shí)現(xiàn)分為兩層，分別為虛擬網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和流調(diào)度，虛擬網(wǎng)絡(luò)調(diào)度負(fù)責(zé)保證虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的資源使用獨(dú)立，互不干擾。流調(diào)度通過(guò)一般化的幀結(jié)構(gòu)在每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行高效的流信息傳輸。在調(diào)度事件發(fā)生時(shí)，NVS首先根據(jù)虛擬網(wǎng)絡(luò)占用基站資源和帶寬的大小選擇能最大化系統(tǒng)效用或收益的虛擬網(wǎng)絡(luò)；然后，虛擬網(wǎng)絡(luò)根據(jù)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)和QoS需求等，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)和所需資源做媒體訪問(wèn)控制層的幀結(jié)構(gòu)映射。

中國(guó)移動(dòng)提出的集中式接入網(wǎng)架構(gòu)（C-RAN）進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了集中化的基帶處理[8]，通過(guò)基站集中化放置和分布式天線技術(shù)可以大幅降低建網(wǎng)成本，提升網(wǎng)絡(luò)性能。通過(guò)進(jìn)一步分析宏蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，我們發(fā)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化、時(shí)空分布非均勻特征，白天辦公區(qū)業(yè)務(wù)繁忙而晚上住宅區(qū)業(yè)務(wù)繁忙，而基站在設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮要滿足小區(qū)的最高峰值業(yè)務(wù)需求，這就浪費(fèi)了大量的處理能力。采用集中式接入網(wǎng)架構(gòu)的核心思想是將原來(lái)分布式的基站資源進(jìn)行集中部署和管理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源的共享與高效利用，提高資源利用效率，降低運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、維護(hù)和升級(jí)的成本。其主要包括3部分：由遠(yuǎn)端射頻單元（RRU）和天線組成的分布式無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)設(shè)施共享和實(shí)時(shí)虛擬化集中式基帶池、連接RRU和集中式基帶池的光傳輸網(wǎng)絡(luò)。C-RAN構(gòu)架如圖4所示。采用C-RAN架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)基站設(shè)備的虛擬化，實(shí)現(xiàn)基站資源的高效利用并降低能耗。

3.2 動(dòng)態(tài)頻譜管理

認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可提升通信系統(tǒng)的頻譜資源利用效率。國(guó)際上許多學(xué)者都認(rèn)為動(dòng)態(tài)頻譜管理技術(shù)是支撐無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化資源管控的有效手段之一。在認(rèn)知場(chǎng)景下，非授權(quán)用戶通過(guò)協(xié)商或者機(jī)會(huì)式的方式接入授權(quán)頻段，但是必須保證不影響授權(quán)用戶的正常通信。由于無(wú)線環(huán)境的復(fù)雜性，用戶接入頻段會(huì)受到來(lái)自時(shí)域、空域等多種因素的限制，為了保障用戶的服務(wù)質(zhì)量，需要為用戶分配合適頻段來(lái)避免干擾[9]。本文提出集中式和分布式的兩種動(dòng)態(tài)頻譜管理方法，解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中頻譜資源高效分配與管理難題。集中式網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜管理如圖5所示。分布式網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜管理如圖6所示。在多種接入技術(shù)（RAT）共存和重疊覆蓋的無(wú)線環(huán)境下，兩種方式通過(guò)新添加的功能模塊完成網(wǎng)絡(luò)上層的頻譜資源分配操作。各模塊的功能描述如表1所示。endprint

基于所提出的動(dòng)態(tài)頻譜管理架構(gòu)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站可以選擇靈活的頻譜資源共享，保證有足夠的頻譜資源滿足用戶業(yè)務(wù)需求，而不必考慮上層的頻譜資源是如何分配的。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站通過(guò)對(duì)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量進(jìn)行分析預(yù)測(cè)為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)的分配頻譜資源。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可提升頻譜利用效率30%以上[10-15]。

4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化面臨的

挑戰(zhàn)

區(qū)別于有線網(wǎng)絡(luò)虛擬化，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化一方面面臨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源受限的挑戰(zhàn)，無(wú)線資源需要進(jìn)行合理的虛擬化，滿足一定的空域、頻域、時(shí)域的隔離以避免干擾；另一方面，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化對(duì)移動(dòng)終端的要求更為多樣，例如支持多頻段的硬件設(shè)計(jì)，高效頻譜共享方法與技術(shù)等。因此，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的實(shí)施與部署仍面臨諸多挑戰(zhàn)。為了構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定、靈活和開(kāi)放的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)，需要從幾方面開(kāi)展研究。

4.1 虛擬網(wǎng)絡(luò)的隔離

與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能對(duì)節(jié)點(diǎn)和鏈路之間的干擾更加敏感。因此，虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的隔離尤為重要。上面我們提出的頻譜管理就是一種有效的方式，它可以根據(jù)用戶的位置和吞吐量需求，從頻域和空域上對(duì)信道進(jìn)行隔離使用，保證用戶之間不產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。在此基礎(chǔ)上，具備自配置、自由化、自愈合等網(wǎng)絡(luò)自組織技術(shù)也將是實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化所需的智能高效管控技術(shù)，虛擬化網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一定的反饋可以自主配置網(wǎng)絡(luò)資源，最大化提升網(wǎng)絡(luò)性能。

4.2 信令優(yōu)化設(shè)計(jì)

一方面，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化需要新的功能支持，如資源虛擬化共享、服務(wù)商和基礎(chǔ)設(shè)施提供商之間交互式管控等，這些新增的功能需要設(shè)計(jì)新型高效的信令來(lái)支持；另一方面，對(duì)不同的無(wú)線接入技術(shù)虛擬化之后，節(jié)點(diǎn)和鏈路的虛擬化資源的調(diào)度雖然屏蔽了具體接入技術(shù)差異，但是還需要有完整而統(tǒng)一的信令體系作支撐，在核心網(wǎng)側(cè)對(duì)接入網(wǎng)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。除此之外，在頻譜資源虛擬化之后，控制信令是采用帶內(nèi)專用信道、還是結(jié)合帶外或者有線的方式來(lái)傳輸，也是面臨的挑戰(zhàn)。

4.3 通用接口設(shè)計(jì)

要形成一個(gè)完全統(tǒng)一的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)，需要設(shè)計(jì)獨(dú)立于技術(shù)的通用接口來(lái)連接硬件設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同虛擬節(jié)點(diǎn)和鏈路之間的信息傳輸[1]。例如，為了使得網(wǎng)絡(luò)控制與管理更加一體化和集中化，不同無(wú)線技術(shù)把相同或者相似的功能抽象出來(lái)，形成一個(gè)功能數(shù)據(jù)庫(kù)供本地的虛擬化管理實(shí)體進(jìn)行功能調(diào)用。為此，還需要推動(dòng)相關(guān)接口傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的制訂。

4.4 用戶移動(dòng)性管理

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要保障移動(dòng)用戶在小區(qū)間的平滑無(wú)縫切換，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化需要通過(guò)資源共享等方式為用戶提供最適合的基站接入，特別是虛擬運(yùn)營(yíng)商需要選擇租用合適的設(shè)備和頻譜資源為其注冊(cè)用戶提供有效覆蓋和容量支撐。因此，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化需要在服務(wù)提供商和基礎(chǔ)設(shè)施提供商之間設(shè)計(jì)合理的頻譜和基礎(chǔ)設(shè)施共享協(xié)議，保障用戶能夠選擇接入可以提供最佳服務(wù)體驗(yàn)的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)。

此外，高質(zhì)量的用戶業(yè)務(wù)保證、安全的虛擬化網(wǎng)絡(luò)以及先進(jìn)的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)模式等也將是實(shí)現(xiàn)靈活智能、穩(wěn)定可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化所需要解決挑戰(zhàn)與難題。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化通過(guò)資源虛擬化和控制虛擬化，將傳統(tǒng)靜態(tài)封閉的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)放智能融合網(wǎng)絡(luò)。雖然現(xiàn)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，但是諸如軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、軟件定義無(wú)線電（SDR）以及認(rèn)知無(wú)線電等技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化中面臨的挑戰(zhàn)提供了解決思路參考。本文主要介紹和分析了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化主流架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，這些架構(gòu)和技術(shù)將會(huì)指導(dǎo)智能開(kāi)放的未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。一體化、模塊化的網(wǎng)絡(luò)虛擬化結(jié)構(gòu)，多維無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的共享，通用的虛擬化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和接口設(shè)計(jì)，將是靈活智能、穩(wěn)定可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化研究關(guān)注的熱點(diǎn)。

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