无线网络虚拟化：资源高效利用方式新变革
北京邮电大学冯志勇教授研究团队经过两年攻关，在5G无线网络虚拟化架构设计、控制与业务分离协议功能虚拟化方法、多域资源表征与度量理论、多域资源认知协同技术等方面取得重要突破。
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纵
观无线通信的发展历程，在第一代移动通信技术（1G）向2G的演进中，以模拟调制技术为代表的无线通信迎来了数字化时代；在2G向3G的跨越中，窄带无线通信进入到宽带无线通信时代，无线通信系统承载的业务也从语音业务为主向多种类型的多媒体数据业务转变。随着无线通信进入4G时代，支持高速率数据传输的无线通信技术日臻成熟，为多媒体数据业务提供了技术保障，在此背景下，新业务和新应用如雨后春笋一般层出不穷。
未来移动通信网络的新应用包括（如图1所示）：
更高数据速率的业务，用户对流媒体服务的要求不断升级，不再满足于标清视频，而要求高清视频、4K视频等在线观看与下载。
增强现实/虚拟现实技术的引入，可以为用户提供一个逼真的虚拟环境，让用户像在真实环境中一样看到与之相隔千里的通信对象。
各类设备进入万物互联时代，意味着未来不仅是人与人的连接，还加入了人与物（人机交互）、物与物（物联网）的连接。
无人驾驶、无人机操控等新技术兴起，促使高可靠性、低时延成为无线通信技术的新要求。
这些涌现的新业务场景分别提出了对未来无线通信超高数据速率、巨连接、高可靠性、低时延等要求，在多业务共存的环境中，需要无线网络能够根据不同业务的个性化需求提供按需定制的差异化服务。然而现有无线通信网络架构和管控方式缺乏灵活适变能力，无法胜任多种新业务和新场景的需求。如何使现有通信基础设施网络满足多种不同业务的需求，对通信网络技术革新提出了新挑战，也是5G需要解决的重大问题。
面对无线通信业务要求的巨大变化，通信网络也需要进行相应变革，充分利用蜂窝网、无线局域网、设备直连等多种无线网络资源，打破异构网络间的壁垒，使网络管控更加灵活，为多种无线业务适配无线网络资源，提高资源利用效率。同时，为适应无线通信网络不断演进的新趋势，如何进一步降低运营商的无线网络投资成本和运行成本、提高无线网络系统升级效率，是面临的新挑战。为此，亟需研究支持多种无线业务要求、具备灵活管控能力、可提高资源利用效率的无线通信网络新技术。
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线网络虚拟化技术应运而生。通过对无线通信系统中的资源进行抽象和表征，形成统一的资源池，可以对无线资源进行按需编排。针对不同业务要求，构建逻辑上隔离的数据传输通道，实现无线网络资源的高效利用。其中，“虚拟化”包括3个层面：
基础设施的虚拟化，即打破不同网络的物理隔离，实现不同无线网络间基础设施的共享。
无线空口、计算、存储资源的虚拟化，即实现不同网络的时域、频域、功率域与计算、存储等资源在时空上的统一管理和协同调度。
无线网络架构、协议的虚拟化，即对无线网络架构中的功能网元的虚拟，支持逻辑上集中的控制平面、不同网间/网内的信息交互协议。
针对5G无线通信网络新需求，国家863计划“第五代移动通信系统（5G）研究开发先期研究（二期）”设立课题“5G无线网络认知与虚拟化关键技术研究与验证”，在北京邮电大学冯志勇教授团队牵头下，联合普天信息技术有限公司、中国科学院计算技术研究所、西安电子科技大学、南京邮电大学、厦门大学、西南交通大学、清华大学、电子科技大学、重庆邮电大学、北京交通大学、北京科技大学、中国科学院信息工程研究所、国家无线电监测中心、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国电子科技集团公司第五十四研究所、中国电信等单位展开研究。经过两年研究攻关，课题组取得了5G无线网络虚拟化架构、资源抽象表征理论和多域协同方法、5G无线网络虚拟化关键技术试验系统等重要成果。
无线网络虚拟化架构
目前无线网络的架构是相对静态和封闭的，未来多样化新业务和新应用存在诸多问题与挑战。在资源利用方面，现有无线网络基于静态频谱划分的资源利用方式缺乏灵活性，导致频谱资源利用效率低下的问题；在无线接入方面，由于现有无线网络接入技术种类多、空口协议不同且相对独立，无法实现对无线网络空口资源的灵活利用，相对封闭和独立的无线网络接入技术壁垒导致用户无法同时共享多种无线接入技术。同时由于现有无线网络管控软件和硬件紧耦合、管控方式相对僵化，使得网络升级换代周期漫长、运行维护成本高昂。这种静态和封闭的无线网络架构亟需进行变革，以适应蓬勃发展的5G移动通信网络多样性业务的新需求。
课题组设计的无线网络虚拟化架构如图2所示，架构设计的核心要点是利用虚拟化技术屏蔽多域资源差异性，通过对业务、无线链路、网络状态、频谱等多域资源进行认知和统一池化管理，采用基于软件定义的资源切片技术，实现对资源的灵活按需编排，同时支持多域资源的协同优化，实现提高资源利用效率的目标。进一步，对接入网进行了相应的虚拟化设计，通过控制业务分离技术，在“控制信令大区覆盖、业务数据小区承载”的设计思想指导下，课题组利用宏小区控制器的可扩展接口，实现了对不同制式接入网络的动态调度，解决了无线网络中的“潮汐效应”。同时，课题组将边缘存储、转发单元等功能下沉到接入网，实现了高流量、低时延、高移动性的传输要求。基于该无线网络虚拟化架构，服务提供商可以为用户实现定制化的5G新业务。课题组针对无线网络虚拟化控制平面进行了定义和划分，包括虚拟化控制平面和多域认知平面。虚拟化控制平面控制资源虚拟化层和虚拟化管理层，对核心网和接入网中的网元功能进行抽离与重构，实现同构网内和异构网间无线资源和基础设施的有效共享和集中管控，实现资源按需切片和调度；多域认知平面对业务时空动态变化规律、用户需求、多域资源状态等信息进行认知，通过与虚拟化控制平面中管控网元的协同，指导资源切片划分、资源分配和资源调度。
多域资源表征与协同优化机理
课题组提出等效容量和等效带宽的概念，对无线网络多域资源进行抽象表征，把无线网络物理资源抽象为虚拟空间的资源，并提出一种基于多立方体的映射方法（如图3所示），用向量形式来表征多域资源，完成虚拟资源与实体资源的映射。在资源抽象度量映射的基础上，课题组提出了虚拟资源高效动态分配的新方法。首先对不同业务的传输在网络层面进行逻辑上的隔离（形成虚拟专用网络），再将物理资源抽象并划分为多个切片，在每个切片上实现按需的资源分配与编排。同时提出弹性虚拟化网络模型，根据用户对系统带宽等的需求，对抽象资源进行弹性动态分配，满足用户的资源需求、提高资源利用效率。
课题组针对5G典型应用场景，提出通信、计算和存储多种资源相结合的协同优化方法，通过对网络状态和资源的认知，优化调度计算和存储资源来提高无线资源的利用效率。在绿色节能场景下，针对传统以能效为目标、理想化基站开关过程的缺陷，课题组提出了基于能效、稳定性等网络性能指标按需调度虚拟基站计算资源的方法，对各基站进行集中式联合优化，合理控制基站休眠，降低了70%～80%的基站开关切换开销。针对5G车联网典型场景，课题组提出面向车联网的虚拟化异构分层车云协同方案，根据车流量和卸载业务量为车辆按需分配计算和存储资源，在满足不同业务需求的条件下，降低了网络重复数据传输开销和传输成本。
5G无线网络虚拟化试验系统
课题组综合考虑核心网、无线接入侧和终端侧，设计并研发了5G无线网络虚拟化原型试验系统（如图4所示）。试验系统通过软件定义网络（SDN）交换机抽取网络管控网元功能，实现对多种无线接入网络（LTE、WLAN和毫米波网络等）物理设施（基站、接入点等）的统一管控，实现基础设施的虚拟化共享。对于多模终端，核心网根据用户的业务类型及服务质量需求，从资源池中按需分配所需资源（包括频谱、无线空口、存储资源等），形成资源切片，每个资源切片形成一个逻辑上独立的端到端传输通道，以保证业务端到端传输质量。
课题组利用软件定义无线电平台开发了支持5G虚拟现实（VR）新业务端到端传输的原型试验系统，支持LTE、WLAN和毫米波等多种无线传输技术。对所提出的虚拟载波聚合技术进行验证，在6吉赫以下频段可以实现任意两个授权或非授权频段的频谱聚合，在28吉赫毫米波频段支持8个100兆赫连续、非连续的频谱聚合，在64正交振幅调制（QAM）调制方式下，可实现单条链路不低于2吉比特/秒的传输速率。基于OpenFlow协议实现软件定义虚拟化网络管控功能，采用虚拟IP技术对无线链路实现虚拟化管控，将多条异构通信链路抽象成逻辑上独立的“虚拟链路”，可以实现多条异构通信链路间的无缝切换，基于试验系统验证LTE和WLAN异构网络间切换时延不高于50毫秒，相比于现有异构网间秒级的切换时延，可有效降低切换时延90%以上。在实验室环境，课题组所提出的5G无线网络虚拟化管控技术方案较4G系统有效降低信令开销20%以上。该原型试验系统可支持1080p高清视频业务在异构网间的实时流畅传输。
课题组所开发的5G无线网络虚拟原型化试验系统是国内首个从无线侧网络资源和基础设施角度进行虚拟化的试验平台。
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课
题的研究成果将为无线网络虚拟化关键技术的后续研究和部署提供坚实的基础，并将推动我国2020年5G移动通信系统商用化的进程。
致谢：感谢国家863 计划课题“5G无线网络认知与虚拟化关键技术研究与验证”（课题编号：2015AA01A705）的支持。
冯志勇：北京邮电大学教授、博士生导师，泛网无线通信教育部重点实验室主任，国家杰出科学青年基金获得者，教育部新世纪优秀人才，国际下一代移动通信网络论坛（NGMN）技术顾问，国家“北斗卫星系统”频率组专家。主要从事无线通信及网络方面的研究，在认知无线网络、宽带无线通信、无线电频谱监测与管理、无线网络大数据方面开展了系统研究。
冯建元：北京邮电大学-华盛顿大学联合培养博士研究生，IEEE Young Professionals成员。主要从事无线通信网络组网理论和资源优化分配方面的研究，包括面向第五代通信技术（5G）的分层异构网络协同优化理论与技术、异构网络融合理论与技术。
张奇勋：北京邮电大学副教授。主要从事宽带移动通信理论方法与关键技术的研究，包括：认知无线网络、5G移动通信系统理论与技术、机器通信网络技术、移动网络大数据挖掘分析和应用技术研究。
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