CN104917809A - 一种基于计算和通信融合的5g无线网络虚拟化体系架构 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，该架构打通了异构无线网络的资源壁垒，共享接入网络资源，突破传统蜂窝小区结构，支持控制平面和数据平面分离。考虑通信、计算、存储多维度资源进行联合优化，建立以用户为中心的网络，最终适应5G系统的发展需求。该体系架构分为无线物理网络、无线虚拟网络和核心网三个部分。无线物理网络部分包括基础设施、资源池和物理网络控制器，网络资源按无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，放入相应的资源池中，由物理网络控制器统一管理控制。无线虚拟网络部分包括若干虚拟子网和虚拟网络控制器，虚拟网络控制器负责与物理网络控制器协同并根据用户需求分配虚拟子网。

Description

一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构

技术领域

本发明设计了一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，主要应用于第五代移动通信系统(5G)，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着智能终端、平板电脑和社交网络等的兴起，移动业务需求将爆炸性增长，无线数据流量和信令对移动通信网络带来了前所未有的冲击。据国际电信联盟预测，到2020年，移动通信网络的数据业务容量需求将达到4G商用网络的1000倍。4G技术难以满足上述发展需求。另一方面，传统的蜂窝网络对室内场景并没有特别优化，但现在的移动应用室内用户所占比例越来越大，因此迫切需要解决室内和热点覆盖问题。此外，随着物联网的快速发展，未来的移动通信除了解决人与人的通信，还需要解决人与物，物与物的通信，比如智能电网、智能交通等应用。总之，未来移动通信需要适应多样化的移动业务和场景，提升用户体验。

针对上述需求，第五代移动通信系统(5G)的研发工作已经在全球陆续提上日程，例如欧盟的5GNow和Metis项目，韩国的5G论坛，中国也启动IMT-2020论坛。虽然5G系统及关键技术的研究已经逐步展开，但是目前关于5G系统的核心技术、特别是移动通信无线组网架构及组网关键技术的演进仍然未能得到学术界及产业界清晰一致的认识。IEEE Communication Magazine于2014年2月刊专门针对5G出版了一个专辑，但是其中对5G技术演进的展望仍然存在多种可能。为了实现容量提升1000倍这一核心需求，目前比较一致的思路是从如下三个方面着手解决该问题：物理层无线传输，频谱资源扩展，网络构架。要从网络构架上要进行变革，未来的网络构架需要具有这几个特征：异构融合，多种类型、不同覆盖大小的异构小区共存，且重叠覆盖网络等。这些技术带来容量增长的同时也为移动通信网络带来了新的挑战，具体表现在：不同类型小区大量增多导致重叠覆盖严重干扰剧增，多层小区高密度混合部署导致越区切换很频繁。而无线网络虚拟化技术的提出为异构无线网络提供了一种有效管理方式，通过对网络资源的抽象和统一表征、资源共享和高效复用，实现异构无线网络的共存与融合。无线网络虚拟化可使复杂多样的网络管控功能从硬件中解耦出来，抽取到上层做统一协调和管理，从而降低网络管理成本，提升网络管控效率。

由于无线网络相对于有线网络更加复杂，在无线网络虚拟化设计中需要考虑信道的不确定性、功率控制、信令开销等问题，这样的复杂性使得上述有线网络的虚拟化技术不能直接搬到无线网络中使用。因此，如何将网络虚拟化的思想引入到无线网络中，并将通信、计算与存储资源融合起来，是进一步大幅度提高频谱效率和能耗效率的关键所在，已成为未来网络的重要发展方向。

因此，针对上述关键问题，本发明设计出一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，从理论角度清晰地介绍了5G无线网络虚拟化体系架构的概念及其技术架构。

发明内容

技术问题：本发明设计出一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，该体系架构打通异构无线网络的资源壁垒，共享接入网络资源。突破传统蜂窝小区的结构，重新设计新型的无线组网架构，支持控制平面和数据平面分离。考虑通信、计算、存储多维度资源进行联合优化，建立以用户为中心的网络，最终适应5G系统的发展需求并提高网络整体容量。

技术方案：

1.设计出一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构

无线传输能力受到频谱资源及香农定理瓶颈的制约，单纯提升“连接容量”日益增长的容量需求，亟需基于新维度的架构性创新，应当充分考虑“计算越来越普及，存储越来越便宜”。以有效存储置换通信，以有效存储为优化通信创造条件。本发明提出的基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构的目的就是基于开放的架构重新设计无线网络，从而打通异构无线网络的资源壁垒，共享接入网络资源；把计算、存储和通信资源进行联合优化，拓展资源维度，重新设计体系架构。

本发明提出的基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构采用软件定义的方法，以自适应的方式进行控制平面与数据平面的分离。在上述基础上，传统小区的构建方式将获得突破，不再需要通过预先的功率限制来严格设定小区边缘，而是由处理单元构建覆盖整个服务区域的控制平面，如果有用户发起服务请求，则处理单元将根据用户请求的服务质量、当前网络负载状况、干扰状况等分配相应的天线单元及无线资源，从而以用户为中心按需、动态的构建为用户提供服务的用户平面。

本发明提出的面向5G无线融合网络虚拟化架构模型，分为无线物理网络、无线虚拟网络和核心网三个部分。无线物理网络部分包括无线网络基础设施、资源池和物理网络控制器，异构网络中基础设施提供的网络资源按无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，放入相应的资源池中，由物理网络控制器统一管理控制。无线虚拟网络部分包括若干虚拟子网和虚拟网络控制器，虚拟网络控制器负责与物理网络控制器协同并根据用户需求分配虚拟子网。核心网实现用户连接、用户管理以及业务承载，作为承载网络提供到外部网络的接口。

2. 5G无线物理网络的关键技术

随着WiFi、4G等技术的发展，如今通信系统呈现出WLAN、GSM、LTE等多制式网络共存的状态，并且该状态将在未来很长一段时间内持续存在。未来的异构无线资源并不仅仅指传统的无线频谱，还包括天线单元、功率、时隙、计算资源、存储资源等多维资源。为了充分利用各个网络的资源，需要对多种资源进行虚拟化的集中的资源管控技术，将多种资源对应的软件/硬件做统一、灵活管理。将异构网络中基础设施提供的的资源按无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，放入相应的资源池中，由物理网络控制器统一管理规划。

3. 5G无线虚拟网络的关键技术

为了充分利用各种异构网络的无线接入资源，将不同的无线接入网络进行统一管控，动态调配网络资源，虚拟网络控制器从基础设施提供的资源中抽象出虚拟资源，进而虚拟出多张相互隔离的虚拟子网，为不同的应用及用户群提供包括覆盖、移动性管理、服务质量保证在内的差异化的网络服务，从而实现网络资源的合理高效利用。

通过对无线网络业务的分析，有效了解用户需求，分析结果用于指导虚拟子网的功能划分以及资源优化配置。还可进一步针对用户行为特征对控制信令进行优化。无线虚拟网络中虚拟化资源动态分配与虚拟资源映射机制，实现虚拟网络请求到物理网络的映射。

4.核心网的关键技术

面对越来越多的互联网数据业务，仅将无线网络作为单纯的管道会影响业务响应速度及用户体验。通过在虚拟基站中集成存储功能，使得网络边缘提供热点内容分发，辅助核心网向用户提供服务。同时将一些核心网的功能下移到虚拟基站中，进一步将网络扁平化，提高网络性能，提升网络控制效率。

本发明的一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构的纵向包括两个部分：接入网和核心网；

所述的接入网包括两个部分：无线物理网络和无线虚拟网络；

所述的无线物理网络包括三个部分：基础设施，资源池和物理网络控制器；

所述的无线虚拟网络包括两个部分：虚拟子网和虚拟网络控制器；

其中：基础设施提供的资源按照无线资源、计算资源和存储资源进行划分，存储在相应的资源池，物理网络控制器通过网络接口管理和规划资源池；虚拟网络控制器通过网络接口与物理网络控制器相连，将用户请求映射到无线物理网络，并负责管理和规划虚拟子网。

横向分为数据平面和控制平面两个部分，分别负责业务数据与控制信息的传输。

基础设施是WLAN、GSM、LTE多种制式网络提供的基站、接入点、网关、终端的基础设施。

资源池存放的资源包括无线频谱、天线单元、功率、时隙、计算资源、存储资源的多维资源，按照无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，由物理网络控制器统一管理规划。

所述的数据平面与控制平面相分离；数据平面负责语音、视频业务数据的处理与转发，由基础设施、资源池、虚拟子网和核心网共同完成；控制平面负责控制网络运行、资源管理规划，由物理网络控制和虚拟网络控制器共同完成。

控制平面的处理单元包括两个部分：物理网络控制器和虚拟网络控制器，物理网络控制器负责管理控制资源池的多维资源，虚拟网络控制器负责管理控制虚拟子网。

虚拟网络控制器将用户请求映射到无线物理网络，物理网络控制器为用户请求匹配资源池中的多维资源，从基础设施中虚拟出满足用户请求的虚拟子网，并由虚拟网络控制器分配给用户。

有益效果：本发明具有以下优点：

①提出了5G无线网络虚拟化体系架构的两个部分：接入网和核心网，其中接入网包括无线物理网络和无线虚拟网络两个部分；

②拓宽了资源维度，包括无线频谱、天线单元、功率、时隙、计算资源和存储资源，打通了异构无线网络的资源壁垒，共享接入网络资源；

③突破传统蜂窝小区的结构，重新设计新型的无线组网架构；

④支持控制平面和数据平面分离；

⑤考虑通信、计算、存储多维度资源进行联合优化。

附图说明

图1是异构无线网络资源虚拟化示意图。

图2是基于计算和通信融合的异构无线网络虚拟化体系架构。

具体实施方式

本发明设计的一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，打通异构无线网络的资源壁垒，共享接入网络资源；突破传统蜂窝小区的结构，重新设计新型的无线组网架构，采用软件定义的方法，支持控制平面和数据平面分离；考虑通信、计算、存储多维度资源进行联合优化，建立以用户为中心的网络。

该体系架构的纵向包括两个部分：接入网和核心网；

所述的接入网包括两个部分：无线物理网络和无线虚拟网络；

所述的无线物理网络包括三个部分：基础设施，资源池和物理网络控制器；

所述的无线虚拟网络包括两个部分：虚拟子网和虚拟网络控制器；

其中：基础设施提供的资源按照无线资源、计算资源和存储资源进行划分，存储在相应的资源池，物理网络控制器通过网络接口管理和规划资源池；虚拟网络控制器通过网络接口与物理网络控制器相连，将用户请求映射到无线物理网络，并负责管理和规划虚拟子网。

横向分为数据平面和控制平面两个部分，分别负责业务数据与控制信息的传输。

基础设施是WLAN、GSM、LTE多种制式网络提供的基站、接入点、网关、终端的基础设施。

资源池存放的资源包括无线频谱、天线单元、功率、时隙、计算资源、存储资源的多维资源，按照无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，由物理网络控制器统一管理规划。

所述的数据平面与控制平面相分离；数据平面负责语音、视频业务数据的处理与转发，由基础设施、资源池、虚拟子网和核心网共同完成；控制平面负责控制网络运行、资源管理规划，由物理网络控制和虚拟网络控制器共同完成。

控制平面的处理单元包括两个部分：物理网络控制器和虚拟网络控制器，物理网络控制器负责管理控制资源池的多维资源，虚拟网络控制器负责管理控制虚拟子网。

虚拟网络控制器将用户请求映射到无线物理网络，物理网络控制器为用户请求匹配资源池中的多维资源，从基础设施中虚拟出满足用户请求的虚拟子网，并由虚拟网络控制器分配给用户。

1.基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构

如图1所示，本发明提出的基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，采用软件定义的方法将控制平面和数据平面分离。使用较低频段的宏小区将为用户提供可靠的控制平面覆盖和稳定的移动性支持，而使用较高频段的微小区等只在热点区域进行用户平面覆盖。由处理单元构建覆盖整个服务区域的控制平面，如果有用户发起服务请求，则处理单元将根据用户请求的服务质量、当前网络负载状况、干扰状况等分配相应的天线单元及无线资源，从而以用户为中心按需、动态的构建为用户提供服务的数据平面。处理单元为无线网络控制器，包括物理网络控制器和虚拟网络控制器，分别对无线物理网络和无线虚拟网络进行管理和控制。

本发明提出的面向5G无线融合网络虚拟化架构模型，分为接入网和核心网两个部分，其中接入网包括无线物理网络和无线虚拟网络两个部分。无线物理网络部分包括无线网络基础设施、资源池和物理网络控制器，异构网络中基础设施提供的网络资源按无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，放入相应的资源池中，由物理网络控制器统一管理控制。无线虚拟网络部分包括若干虚拟子网和虚拟网络控制器，虚拟网络控制器负责与物理网络控制器协同并根据用户需求分配虚拟子网。核心网实现用户连接、用户管理以及业务承载，作为承载网络提供到外部网络的接口。

2. 5G无线物理网络的关键技术

随着WiFi、4G等技术的发展，如今通信系统呈现出WLAN、GSM、LTE等多制式网络共存的状态，并且该状态将在未来很长一段时间内持续存在。如图2所示，无线物理网络中的基础设施包括了WLAN、GSM、LTE等多种异构网络的基础设施，如基站、接入点、网关、终端等。无线网络资源除了传统的无线频谱，还包括了基础设施提供的天线单元、功率、时隙、计算资源、存储资源等多维资源。为了充分利用各个网络的资源，需要对多种资源进行虚拟化的集中的资源管控技术，将多种资源对应的软件/硬件做统一、灵活管理。将异构网络中多维资源按无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，放入相应的资源池中，由物理网络控制器统一管理规划。

3. 5G无线虚拟网络的关键技术

无线虚拟网络部分将不同的无线接入网络进行统一管控，动态调配网络资源。无线虚拟网络从基础设施提供的资源中进行分割、抽象出虚拟资源，进而虚拟出多张相互隔离的虚拟子网，为不同的应用及用户群提供包括覆盖、移动性管理、服务质量保证在内的差异化的网络服务，实现网络资源的合理高效利用。

如图2所示，通过对无线网络业务的分析，有效了解用户需求，分析结果用于指导虚拟网络控制器进行虚拟子网的功能划分以及资源优化配置，进一步针对用户行为特征对控制信令进行优化。无线虚拟网络中虚拟化资源动态分配与虚拟资源映射机制，实现虚拟网络请求到物理网络的映射。

4.核心网的关键技术

将核心网的部分功能下移到虚拟基站中，进一步将网络扁平化，提升网络控制效率。通过在虚拟基站中集成存储功能，使得网络边缘提供热点内容分发，辅助核心网向用户提供服务。在基站\接入点\网关\终端中存储部分热点服务内容，实现网络对面向资源的信息获取的支持，使网络可以实现服务的就近获取，从而提高网络的性能。

例如，在无线虚拟网络提供的内容分发服务中，内容分发与代理服务器的布置有很大关系，应该把服务器布置的距离与终端用户越近越好，以减少用户时延和最小化带宽消耗。在配置内容分发网络(CDN)的虚拟资源时，上述特性应体现在虚拟网络的拓扑结构中，因此，在选择虚拟资源时，服务器的布置问题是关键。

Claims (6)

1.一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，其特征在于该体系架构的纵向包括两个部分：接入网和核心网；

所述的接入网包括两个部分：无线物理网络和无线虚拟网络；

所述的无线物理网络包括三个部分：基础设施，资源池和物理网络控制器；

所述的无线虚拟网络包括两个部分：虚拟子网和虚拟网络控制器；

其中：基础设施提供的资源按照无线资源、计算资源和存储资源进行划分，存储在相应的资源池，物理网络控制器通过网络接口管理和规划资源池；虚拟网络控制器通过网络接口与物理网络控制器相连，将用户请求映射到无线物理网络，并负责管理和规划虚拟子网；

横向分为数据平面和控制平面两个部分，分别负责业务数据与控制信息的传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，其特征在于：基础设施是WLAN、GSM、LTE多种制式网络提供的基站、接入点、网关、终端的基础设施。

3.根据权利要求1所述的一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，其特征在于：资源池存放的资源包括无线频谱、天线单元、功率、时隙、计算资源、存储资源的多维资源，按照无线资源、计算资源和存储资源进行划分和存储，由物理网络控制器统一管理规划。

4.根据权利要求1所述的一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，其特征在于：所述的数据平面与控制平面相分离；数据平面负责语音、视频业务数据的处理与转发，由基础设施、资源池、虚拟子网和核心网共同完成；控制平面负责控制网络运行、资源管理规划，由物理网络控制和虚拟网络控制器共同完成。

5.根据权利要求4所述的一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，其特征在于：控制平面的处理单元包括两个部分：物理网络控制器和虚拟网络控制器，物理网络控制器负责管理控制资源池的多维资源，虚拟网络控制器负责管理控制虚拟子网。

6.根据权利要求1所述的一一种基于计算和通信融合的5G无线网络虚拟化体系架构，其特征在于：虚拟网络控制器将用户请求映射到无线物理网络，物理网络控制器为用户请求匹配资源池中的多维资源，从基础设施中虚拟出满足用户请求的虚拟子网，并由虚拟网络控制器分配给用户。