CN109819452B - 一种基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，包括如下步骤：一组互通的雾计算节点和核心网相连，构成无线接入网络架构；在每一个雾计算节点上部署虚拟容器；虚拟容器包含静态容器和动态容器；其中，静态容器固定在本地雾计算节点上；动态容器在不同雾计算节点之间进行迁移。该方法对无线接入功能模块进行了合理划分，提出了基于虚拟容器的无线接入网络架构，具有符号处理与比特处理分离、用户面与控制面分离、动态容器与静态容器分离、调度独立等特点，具有隔离度高、扩展性好等显著优点。

Description

一种基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法

技术领域

本发明涉及一种基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法；属于智能计算技术领域。

背景技术

传统的无线接入网络基于独立宏基站的思路构建，或者是基于云计算资源池的方式构建，这种接入网络被称作云接入网络(Cloud Radio Access Network，简称Cloud-RAN)。前者基于专用的硬件设备和电信软件，后者是对前者的改进，需要搭建专门的集中部署的云计算平台。Cloud-RAN具体架构如图1所示。

对于无人驾驶、工业自动化等需要低时延传输、高可靠连接的业务来说，现有的Cloud-RAN技术并不能满足其要求。Cloud-RAN的基带处理模块集中在云端，这就使得上行的IQ采样数据必须通过CPRI接口传至云端处理，再从云端通过CPRI接口下传下行的IQ采样数据。CPRI接口的数据量一般是实际数据的几十倍，时延也非常大。

雾计算(Fog Computing)最早由思科(Cisco)公司提出，在该模式中数据、处理和应用程序集中在网络边缘的设备中，而不是几乎全部保存在云中，是云计算(CloudComputing)的延伸概念。雾计算移动性好，手机和其他移动设备可以互相之间直接进行通信，信号不必到云端甚至基站去绕一圈，支持很高的实时性。物联网发展的最终结果就是将所有的电子设备、移动终端、家用电器等一切都互联起来，这些设备不仅数量巨大，而且分布广泛，只有雾计算才能满足，现实的需求对雾计算提出了要求，也为雾计算提供了发展机会。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，包括如下步骤：

一组互通的雾计算节点和核心网相连，构成无线接入网络架构；

在每一个雾计算节点上部署虚拟容器；

所述虚拟容器包含静态容器和动态容器；其中，静态容器固定在本地雾计算节点上；动态容器在不同雾计算节点之间进行迁移。

其中较优地，雾计算节点和雾计算节点之间通过网络互连。

其中较优地，所述静态容器包括采样和符号处理容器；所述采样和符号处理容器负责物理层底层采样信号和符号数据处理；

在每一个雾计算节点上设置有一个采样和符号处理容器。

其中较优地，所述静态容器还包括媒体介质控制容器；所述媒体介质控制容器负责用户的调度；

在每一个雾计算节点上设置有一个媒体介质控制容器。

其中较优地，所述媒体介质控制容器支持动态容器的创建与释放。

其中较优地，所述动态容器包括比特数据处理容器、用户面处理容器和控制面处理容器；

所述比特数据处理容器负责物理层高层比特数据处理；

所述用户面处理容器负责用户面数据处理；

所述控制面处理容器负责控制信令处理。

其中较优地，所述基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，还包括如下步骤：

当用户量增加时，通过在雾计算节点创建动态容器进行无线接入网络的扩展。

其中较优地，当用户量增加时，通过在雾计算节点创建动态容器进行无线接入网络的扩展，包括如下步骤：

当用户量增加时，判决当前的本地雾计算节点的计算能力，如果当前的本地雾计算节点计算能力满足用户量的增加需求，则根据增加量在本地雾计算节点创建新的比特数据处理容器、用户面处理容器和控制面处理容器；

否则，判断邻近的雾计算节点的计算能力，如果邻近的雾计算节点的计算能力满足用户量的增加需求，且两个雾计算节点间的时延满足要求，则按照负荷均衡的原则在邻近的雾计算节点新增比特数据处理容器、用户面处理容器和控制面处理容器。

其中较优地，所述基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，还包括如下步骤：

根据不同的应用场景，在雾计算节点设置独立的虚拟基站，每个虚拟基站包含共用的采样和符号处理容器和媒体介质控制容器，以及独立的比特数据处理容器、用户面处理容器和控制面处理容器；

在用户接入时，根据用户的业务类型将用户分配到相应的虚拟基站，并分配虚拟容器。

其中较优地，所述基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，还包括如下步骤：

在用户接入时，根据用户的业务类型将用户分配到相应的虚拟基站，如果分配到的虚拟基站的容量达到门限，则通过在邻近雾计算节点创建动态容器进行虚拟基站的容量的扩展。

本发明所提供的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，通过一组互通的雾计算节点和核心网相连，构成无线接入网络架构；然后在每一个雾计算节点上部署虚拟容器；虚拟容器包含静态容器和动态容器；其中，静态容器固定在本地雾计算节点上；动态容器在不同雾计算节点之间进行迁移。该方法对无线接入功能模块进行了合理划分，提出了基于虚拟容器的无线接入网络架构，具有符号处理与比特处理分离、用户面与控制面分离、动态容器与静态容器分离、调度独立等特点，具有隔离度高、扩展性好等显著优点。

附图说明

图1为现有的云接入网络的典型结构示意图；

图2为本发明所提供的一个实施例中，雾计算无线接入网络的结构示意图；

图3为本发明所提供的一个实施例中，雾计算无线接入网络的容量扩展的结构示意图；

图4为本发明所提供的一个实施例中，针对三种应用场景形成了三个网络切片的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

本发明所提供的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，包括如下步骤：首先，一组互通的雾计算节点和核心网相连，构成无线接入网络架构；然后，在每一个雾计算节点上部署虚拟容器；其中，虚拟容器包含静态容器和动态容器；静态容器固定在本地雾计算节点上；动态容器在不同雾计算节点之间进行迁移。通过五种基本的虚拟容器可以构建可伸缩、可扩展，支持不同应用场景网络切片功能的无线接入网络。下面对这一过程做详细具体的说明。

本发明基于硬件虚拟化和系统组件化的思路，在雾计算节点网络的虚拟容器集群上构建无线接入网络。本发明所说的雾计算节点是指位于网络边缘，集成了通信射频模块、通用计算资源、通用存储资源以及必要FPGA、GPU等硬件加速设备和内部、外部接口的通用计算机设备。雾计算节点在硬件上由射频器件和通用处理器主板和必要的内存、硬盘及各种接口构成，软件上包括通用操作系统和虚拟容器组件。其中，本发明所称虚拟容器是计算机界的术语，是一种软件虚拟化技术，各个容器之间实现了很好的隔离，与虚拟机技术相比具有启动速度快、资源利用率高、性能开销小等优点，常用的容器技术有Docker、LXC等。

本发明的无线接入网络由雾计算节点组成，这些雾计算节点通过云与雾之间的接口连接到位于云计算平台的核心网。无线通信接入模块经过合理功能分割后部署在雾计算网络的各个雾计算节点虚拟容器内，构建了动态容器与静态容器分离、物理层高层与物理层低层分离、用户面与控制面分离、调度独立等四大特点的五容器架构。

图2为雾计算无线接入网络(Fog-RAN)的结构示意图。如图2所示，雾计算无线接入网络由一组互通的雾计算节点(简称雾节点)组成。每个雾节点都和位于网络中心的核心网相连，构成完整的无线系统。在每个雾节点上部署了各种虚拟容器。各个雾节点之间通过网络互联。其中，虚拟容器分为静态容器和动态容器两大类。在同一个雾节点中，每种静态容器的数量固定只有一个，且固定在本地雾计算节点上，不可迁移到其它雾节点。动态容器的数量可以根据需要扩展，并可动态迁移到其它雾节点。这种静动分离的容器布局结构，既保证了系统的时延，又保证了系统的可扩展性。

在本发明所提供的一个实施例中，每个雾节点由5种基本容器组成，分别实现基本的接入网络功能。静态容器包括采样和符号处理容器、媒体介质控制容器两种。

其中，采样和符号处理容器(Sample and Symbol Physical Container，简称SC)，负责物理层底层采样信号和符号数据处理的容器，以LTE(Long Term Evolution，长期演进)为例，上行包括时域到频域的变换、信道估计、均衡、LLR，下行包括OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)时域信号生成。

该种容器在一个雾节点只有1个，对时延要求高，一般只存在本地计算节点，不作迁移。

媒体介质控制容器(Media Access Control Container，简称MC)在一个雾节点只有1个，与SC部署在一起。主要负责用户的调度，支持动态容器的创建与释放。以LTE为例，就是MAC层的调度功能，包括上行和下行的HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合式自动重传请求)调度功能。此外，无线资源管理功能，以及网络切片编排功能也由MC容器实现。

动态容器包括比特数据处理容器、用户面处理容器、控制面处理容器等3种。动态容器可以由MC容器动态建立与释放。具体实施时，既可以根据需要以用户为粒度分别建立容器，以支持扩容；也可以针对不同应用场景分别建立容器，实现网络切片。关于扩展和网络切片在后续进行详细说明。

其中，比特数据处理容器(Digital Physical Container，简称DC)，负责物理层高层比特数据处理的容器，以LTE为例，包括TURBO的编码和译码。该种容器数量不限，可以做动态建立和释放。TURBO译码的计算量比较大，可以根据需要使用雾计算节点的FPGA、GPU等加速模块。

用户面处理容器(User Plane Container，简称UC)，负责用户面数据处理的容器，以LTE为例，主要负责RLC、PDCP和GTPU协议的处理，MAC层的数据组包功能。该种容器数量不限，可以做动态建立和释放。

控制面处理容器(Control Plane Container，简称CC)，负责控制信令处理的容器，以LTE为例，主要负责RRC协议的处理。该种容器数量不限，可以做动态建立和释放。

在本发明所提供的实施例中，还包括如下步骤：

当用户量增加时，通过在雾计算节点创建动态容器进行无线接入网络的扩展。

在本发明所提供的实施例中，雾计算节点之间可以互通，组成容器集群，容器集群中的各虚拟容器可以根据负载均衡的需要在雾计算节点网络内进行负荷分担。本发明中在容器设计的时候将调度功能与单个用户处理功能分离(MC与DC/UC/CC分离)，这样一来，DC、UC、CC三组虚拟容器不具有用户间的相关性，可以按任意粒度进行划分，可以10个用户共享1个MC容器、100个用户共享1个MC容器，也可以是1个用户独占一个MC容器，具有无限的扩展和伸缩能力。这样，基于虚拟容器的无线接入网络可以很方便地实现容量的扩展。

其中，当用户量增加时，通过在雾计算节点创建动态容器进行无线接入网络的扩展；具体包括如下步骤：

S11，当用户量增加时，判决当前的本地雾计算节点的计算能力，如果当前的本地雾计算节点计算能力可以满足用户量的增加需求，则根据增加量在本地雾计算节点创建新的DC容器、UC容器和CC容器；否则，转向步骤S12。

S12，判断邻近的雾计算节点的计算能力，如果邻近的雾计算节点的计算能力可以满足用户量的增加需求，且两个雾计算节点间的时延满足要求，则按照负荷均衡的原则在邻近的雾计算节点新增DC容器、UC容器和CC容器。

图3显示了一个容量扩展的例子。图中雾节点2基站的负荷增大，对应的DC容器、UC容器、CC容器的数量增加，部分虚拟容器按照负荷均衡的原则部署到邻近的雾节点1和雾节点3中。雾节点2的虚拟容器扩展到周边雾节点1和雾节点3，提升了雾节点2的处理能力。

前已述及，在虚拟容器设计的时候将调度功能与单个用户处理功能分离，虚拟容器之间的隔离性好，这样一来，DC、UC、CC三组虚拟容器不具有用户间的相关性，可以按任意粒度进行划分，比较容易的实现网络切片。在本发明所提供的实施例中，还可以包括如下步骤：

S21，根据不同的应用场景，在雾计算节点设置独立的虚拟基站，每个虚拟基站包含共用的SC容器、MC容器，以及独立的DC容器、UC容器、CC容器。MC容器起到了切片编排的功能，统一进行无线资源的分配。

S22，在用户接入时，根据用户的业务类型将用户分配到相应的虚拟基站，并分配虚拟容器。

S23，如果分配到的虚拟基站的容量达到门限，则通过在邻近雾计算节点创建动态容器进行虚拟基站的容量的扩展。

其中，虚拟基站的容量的扩展过程与上述用户量增加时的扩展过程相似，下面以具体的实施例通过对5G无线接入网络切片时虚拟基站的容量的扩展过程为例进行详细说明。

国际通信业界将5G分为三个应用场景，分别为增强移动宽频(eMMB)，主要负责高清、3D影片传送；高可靠低时延通信(uRLLC)，主要负责无人驾驶；以及大规模机器通信(mMTC)，即物联网。

图4给出了当分配到的虚拟基站的容量达到门限时，eMMB、uRRLC、eMTC三种应用场景雾接入的参考实施方案。对于三种应用场景，分别用不同的虚拟容器进行处理，实现针对不同应用场景的无线接入网网络切片。如图所示，根据三种应用场景共形成了3个虚拟基站。其中容器MC、SC为三个虚拟基站共用。

对于eMMB场景，当分配到的虚拟基站的容量达到门限时，由雾节点1上的容器DC1、UC1、CC1与雾节点2上的容器MC、SC构成虚拟基站以实现对应的虚拟基站的容量的扩展。由于该场景速率要求高，所以容器DC1采用ACC硬件加速引擎，特别针对CPU消耗大的译码模块进行加速处理。

对于uRRLC场景，当分配到的虚拟基站的容量达到门限时，由雾节点2上的容器DC2、UC2、CC2与雾节点2上的容器MC、SC构成虚拟基站以实现对应的虚拟基站的容量的扩展。因为该场景时延要求高，所有虚拟容器均部署在同一个雾计算节点中。

对于eMTC场景，当分配到的虚拟基站的容量达到门限时，由雾节点3上的容器DC3、UC3、CC3与雾节点2上的容器MC、SC构成虚拟基站以实现对应的虚拟基站的容量的扩展。因为该场景时延要求低，速率要求也低，容器DC3不需要硬件加速引擎。

本发明可用于蜂窝无线接入网络的软件化改造，适用于2G GSM、3G UMTS、4G LTE以及5G网络的IT化升级。容器技术隔离性好，可以实现网络的快速版本切换、轻松支持实时备份和实时升级。

本发明中各个雾计算节点实现基站功能，又通过容器集群技术，实现在节点间的调度和信息处理，而不用传至云端，有效减小时延。本发明所要解决的主要技术问题有：

1)无线接入系统的容量扩展难题。

通常的无线接入系统及其复杂，模块耦合性高，容量扩展困难。本发明采用虚拟容器技术，通过虚拟容器的动态迁移实现无线接入网络的按需伸缩和扩展。

2)无线接入系统的低时延和高速率难题。

对于现有技术，例如Cloud-RAN，使用CPRI接口时，需要的数据带宽将是小区载频带宽的几十倍。本发明中将基带处理放在网络边缘，降低了系统时延和带宽要求，从而可以提供更高的数据传输速率，满足大流量移动宽带业务需求。

3)无线接入网络的网络切片实现难题。

网络切片就是通过硬件虚拟化的方法将软件功能与底层硬件隔离开来。网络切片包括核心网切换、接入网切片以及两者之间的传输切片。目前的网络切片技术一般只支持核心网的网络切片。本发明的虚拟容器接入网构建方法，可以支持接入网的网络切片。

综上所述，本发明所提供的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法具有如下优势：

1)无线接入网络构建在网络边缘的雾计算节点上，具有时延小、传输带宽要求低等优点。

2)本发明采用虚拟容器构建无线接入网络。该方法对无线接入功能模块进行了合理划分，提出了基于虚拟容器的无线接入网络架构，具有符号处理与比特处理分离(容器SC与DC)、用户面与控制面分离(容器UC与CC)、动态容器与静态容器分离、调度独立等特点，具有隔离度高、扩展性好等显著优点。

3)本发明给出了基于雾计算虚拟容器的无线接入网络扩展方法，将调度功能与单个用户处理功能分离(容器MC与容器DC/UC/CC)，其中DC、UC、CC等三组容器不具有用户间的相关性，可以按任意粒度进行划分，可以10个用户1个MC容器、100个用户1个MC容器，也可以是1个用户一个MC容器，具有无限的扩展和伸缩能力。

4)本发明给出了接入网网络切片的实现架构。在本发明的网络切片方案中，容器SC、MC是多个虚拟基站共用的，DC、UC、CC等三组容器按照应用场景进行划分，不同虚拟基站独立配置，以支持不同应用场景的网络切片。

本发明所提供的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，也可以通过虚拟机技术实现同样的目的，但是虚拟机技术系统开销很大，启动速度也很慢，一般是分钟级，不利于网络的实时备份和升级。

上面对本发明所提供的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (8)

1.一种基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，其特征在于包括如下步骤：

一组互通的雾计算节点和核心网相连，构成无线接入网络架构；

在每一个雾计算节点上部署虚拟容器；所述虚拟容器包含静态容器和动态容器；其中，静态容器固定在本地雾计算节点上；动态容器在不同雾计算节点之间进行迁移；

当用户量增加时，通过在雾计算节点创建动态容器进行无线接入网络的扩展，包括如下步骤：当用户量增加时，判决当前的本地雾计算节点的计算能力，如果当前的本地雾计算节点计算能力满足用户量的增加需求，则根据增加量在本地雾计算节点创建新的比特数据处理容器、用户面处理容器和控制面处理容器；否则，判断邻近的雾计算节点的计算能力，如果邻近的雾计算节点的计算能力满足用户量的增加需求，且两个雾计算节点间的时延满足要求，则按照负荷均衡的原则在邻近的雾计算节点新增比特数据处理容器、用户面处理容器和控制面处理容器。

2.如权利要求1所述的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，其特征在于：雾计算节点和雾计算节点之间通过网络互连。

3.如权利要求1所述的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，其特征在于：所述静态容器包括采样和符号处理容器；所述采样和符号处理容器负责物理层底层采样信号和符号数据处理；在每一个雾计算节点上设置有一个采样和符号处理容器。

4.如权利要求1所述的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，其特征在于：所述静态容器还包括媒体介质控制容器；所述媒体介质控制容器负责用户的调度；在每一个雾计算节点上设置有一个媒体介质控制容器。

5.如权利要求4所述的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，其特征在于：所述媒体介质控制容器支持动态容器的创建与释放。

6.如权利要求1所述的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，其特征在于：所述动态容器包括比特数据处理容器、用户面处理容器和控制面处理容器；所述比特数据处理容器负责物理层高层比特数据处理；所述用户面处理容器负责用户面数据处理；所述控制面处理容器负责控制信令处理。

7.如权利要求1所述的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，其特征在于还包括如下步骤：根据不同的应用场景，在雾计算节点设置独立的虚拟基站，每个虚拟基站包含共用的采样和符号处理容器和媒体介质控制容器，以及独立的比特数据处理容器、用户面处理容器和控制面处理容器；在用户接入时，根据用户的业务类型将用户分配到相应的虚拟基站，并分配虚拟容器。

8.如权利要求7所述的基于雾计算虚拟容器的无线接入网络构建方法，其特征在于还包括如下步骤：在用户接入时，根据用户的业务类型将用户分配到相应的虚拟基站，如果分配到的虚拟基站的容量达到门限，则通过在邻近雾计算节点创建动态容器进行虚拟基站的容量的扩展。

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