CN117177306A - 基于nfv和sdn的无人机mec网络系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统。所述系统包括物理层、编排器层、虚拟功能网元控制层、NFV虚拟化层和SDN控制器；物理层为整个无人机MEC网络系统的计算和存储平台；NFV虚拟化层用于将无人机集群中的通信、计算和存储资源以及硬件资源抽象为UAV‑MEC网络的虚拟资源池；虚拟功能网元控制层用于通过VNF技术对虚拟资源进行虚拟化计算和存储资源的管理与调度；编排器层用于对虚拟化的容器进行编排后其他无人机或地面设备的计算任务并及时调整虚拟功能网元控制层中计算资源的分配；SDN控制器用于对计算任务进行分配。采用本系统能够实现无人机之间的任务分配和计算资源共享。
Description
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统。
背景技术
随着无人机(UAV)技术的发展，无人机辅助通信和计算已经得到了广泛的研究，如将无人机作为移动边缘服务器为地面用户提供上行/下行信息服务和计算服务。由于无人机在机动性和成本方面的独特性，现有技术中将无人机作为空中边缘计算服务器，有效地扩大其在资源短缺地区的服务覆盖范围。无人机网络可以通过调整无人机的轨迹来为物联网设备提供各种服务，如计算卸载数据处理以及内容缓存。相较于与传统的地面MEC网络，无人机辅助的MEC(UAV-MEC)网络有以下优势：(1)无人机可以在荒野、沙漠、受灾地域等多数情况下灵活部署。(2)无人机能够与地面用户、基站建立视距链路，从而扩大服务覆盖范围、提高数据传输的稳定性和可靠性，并有助于提高计算性能。(3) 无人机的移动性能够适应用户设备数量、位置和服务需求的不断变化，从而为移动用户提供无缝计算服务，保证计算服务的连续性，并可为其他计算资源受限的无人机或用户设备提供通信计算支持。此外，在无人机进行搜索和救援时，处理图像所需的计算能力和存储能力较强，以人脸识别为代表的任务需求需要实时上传视频并进行决策。
然而，由于无人机自身体积小且高速移动，将边缘计算平台搭载于无人机面临着一定的挑战，目前无人机之间的通信大多是通过内部的无线通信模块进行通信，仅仅只提供了数据收发功能，不能实现无人机之间的任务分配和计算资源共享。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现无人机之间的任务分配和计算资源共享的基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统。
一种基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统，所述无人机MEC网络系统搭载在无人机上，所述系统包括物理层、编排器层、虚拟功能网元控制层、NFV虚拟化层和SDN控制器；
物理层由计算硬件、存储硬件和网络硬件组成，作为整个无人机MEC网络系统的计算和存储平台；
NFV虚拟化层用于将无人机集群中的通信、计算和存储资源以及硬件资源抽象为UAV-MEC网络的虚拟资源池并将请求的虚拟资源提供给虚拟功能网元控制层执行；
虚拟功能网元控制层用于通过VNF技术对虚拟资源进行虚拟化计算和存储资源的管理与调度；
编排器层用于对虚拟化的容器进行编排后接收其他无人机或地面设备的计算任务并及时调整虚拟功能网元控制层中计算资源的分配；
SDN控制器用于将应用平面与数据平面分离，使得应用平面负责上层的控制决策，而数据平面负责数据的接收与转发并通过开放式的可编程接口实现多控制器以及与其他无人机或地面终端设备的通信；数据平面为虚拟资源池。
在其中一个实施例中，SDN控制器部署于无人机集群的簇头位置，包括南向接口和北向接口；南向接口负责与虚拟资源池进行通信，为SDN控制器收集关于系统整体状态信息；系统整体状态信息包括计算任务、无人机和MEC服务器之间的通信和计算资源；北向接口负责与应用平面进行通信和分发控制指令使得应用平面执行相应的无人机动作。
在其中一个实施例中，应用平面包括通信模块、计算模块、缓存模块、移动性管理模块、轨迹规划模块和任务调度模块。
在其中一个实施例中，通信模块负责地面终端设备、基站、地面控制器与无人机的通信，或无人机集群之间的通信，以及通信资源的分配与调度；通信资源包括频带、干扰管理和功率。
在其中一个实施例中，计算模块用于利用轻量化的MEC平台进行无人机自身或其他用户终端的上传的图像处理和目标识别以及负责任务卸载决策的执行。
在其中一个实施例中，缓存模块用于对区域用户的内容的流行度进行判断并执行缓存决策更新缓存文件。
在其中一个实施例中，移动性管理模块用于当用户设备以及无人机动态移动时，将任务或计算结果交给其他无人机保证流畅的任务卸载服务。
在其中一个实施例中，轨迹规划模块用于无人机执行任务时根据多个终端的计算请求以及无人机集群中其他无人机的位置规划飞行轨迹。
在其中一个实施例中，任务调度模块用于当无人机能源不足或配备的MEC计算资源不足时，将部分任务卸载到MEC服务器空闲的地面基站或无人机。
上述一种基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统，本发明将NFV和SDN引入无人机网络中搭建无人机MEC网络系统，通过设置NFV虚拟化层和SDN控制器支撑无人机搭载轻量级移动计算平台、实现任务计算功能，通过NFV虚拟化层可以使得MEC服务器根据计算任务的需求变化动态调整提供的计算资源，方便实现多无人机之间的通信、计算资源的高效共享，通过SDN可以实现控制平面与数据平面的分离，方便获取区域内各个终端用户的状态以及动态变化情况，实现计算任务的有效分配。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统的结构框图；
图2为一个实施例中无人机集群中无人机承担的三类角色示意图；
图3为一个实施例中基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统可能的应用场景示意图；
图4为一个实施例中应用平面的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统，所述无人机MEC网络系统搭载在无人机上，所述系统包括物理层、编排器层、虚拟功能网元控制层、NFV虚拟化层和SDN控制器；
物理层由计算硬件、存储硬件和网络硬件组成，作为整个无人机MEC网络系统的计算和存储平台；
NFV虚拟化层用于将无人机集群中的通信、计算和存储资源以及硬件资源抽象为UAV-MEC网络的虚拟资源池并将请求的虚拟资源提供给虚拟功能网元控制层执行；
通过将无人机集群中的通信、计算和存储资源以及硬件资源映射为虚拟化格式存储到UAV-MEC网络的虚拟资源池便于更好的访问和管理资源。
虚拟功能网元控制层用于通过VNF技术对虚拟资源进行虚拟化计算和存储资源的管理与调度；
编排器层用于对虚拟化的容器进行编排后接收其他无人机或地面设备的计算任务并及时调整虚拟功能网元控制层中计算资源的分配；
利用NFV技术，配备MEC服务器的无人机在编配层可以通过创建多个虚拟机或轻量级的容器，实现有效的计算资源虚拟化分割，为多个终端设备的不同类型任务提供计算服务并及时调整虚拟功能网元控制层中计算资源的分配。
SDN控制器用于将应用平面与数据平面分离，使得应用平面负责上层的控制决策，而数据平面负责数据的接收与转发并通过开放式的可编程接口实现多控制器以及与其他无人机或地面终端设备的通信；数据平面为虚拟资源池。
将SDN控制器引入UAV-MEC网络能够有效降低无人机的负载，简化UAV-MEC网络的结构，通过SDN可以能够有效地管理网络资源，降低无人机负载，实现对无人机节点进行集中控制。
上述基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统中，无人机可以被视为携带计算任务的用户、协助用户卸载计算任务的中继、以及执行计算任务的MEC服务器。图2展示了无人机集群中的三类角色。
无人机作为用户适用于无人机集群中的无人机电池与计算资源受限，但需要执行计算密集型或时延敏感型任务时，此时首先将无人机的任务通过通信模块传输到地面MEC服务器或无人机集群的簇头无人机。若考虑无人机集群提供计算服务，则将接收到的任务放入编排器层的容器中进行管理与编排。然后通过应用平面的计算模块提供任务计算服务。
无人机作为中继适用于需要任务卸载的地面终端与地面MEC服务器之间存在障碍物，或链路质量差的情况。无人机可以作为中继帮助终端设备卸载其计算任务到MEC服务器。无人机通过通信模块接收地面终端设备的任务信息并传递到基站，并通过轨迹规划模块执行无人机的飞行动作。
无人机作为MEC服务器适用于无人机电池充足、配备的MEC服务器空闲的场景，以及由于自然灾害或地域限制而没有地面MEC网络的场景。无人机集群的硬件设备通过虚拟化资源池抽象成网络资源、计算资源、存储资源。无人机集群通过SDN控制器的通信模块与地面设备进行通信与任务的收集，将收集的任务放入编排器层进行管理，并利用VNF控制层对计算、存储资源进行调度，并通过应用层的任务调度模块和计算模块进行任务的分发与计算。
基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统的应用场景有偏远地区，紧急救援，智能人群监控，城市热点保障等，如图3所示。
应用场景为偏远地区时，在荒野、沙漠、森林、火山和其他复杂地形等偏远地区情况下，建立地面MEC网络难度较大并且性价比低。在这些地方，无人机会执行例如动物追踪、植被树冠分析、火山探测、核辐射评估等任务。部分数据由无人机的摄像机收集得到并放置于无人机的物理层的存储硬件中，即虚拟化资源层的存储资源中，另一部分数据则是位于这些区域的传感器传输到无人机的通信模块中。通过无人机SDN控制器南向接口获取存储资源数据，并通过北向接口获取通信模块数据。得到任务数据之后，通过计算模块，可以及时处理收集到的数据，生成准确的实时结果信息。
应用场景为短时会有大量时延敏感型任务请求时，需要实时准确估计目标位置，对目标进行识别。使用搭载MEC服务器的无人机集群，可以直接将存储资源模块收集到的图像、通信模块截获的通信信号，通过任务调度模块进行任务分发，并在计算模块进行处理，迅速得到结果，并通过通信模块反馈到相关服务请求的用户设备。
应用场景为智能人群监控时，UAV-MEC网络可以用于基于人脸识别的人群监控，在大量人群中识别出指定的可疑分子。在城市繁华的中心区域，通过对大量监控摄像头或无人机的图像处理，识别罪犯和发现任何其他可疑的人类活动，保护人群安全。可通过通信模块获得监控摄像头的图像数据，并通过计算模块执行计算机视觉算法，达到人群监控的效果。
应用场景为城市热点保障时，在热点地区，如体育场比赛或露天音乐节，大量观众可能有兴趣录制、上传、共享或下载高质量的视频。在这些情况下，可能会有众多的用户设备同时请求缓存资源或计算密集型服务。基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统可以灵活部署并协助地面的MEC网络，通过通信模块与用户构建可靠通信链路、并通过计算模块和缓存模块提供计算和视频缓存服务，提高用户服务质量。
在其中一个实施例中，SDN控制器部署于无人机集群的簇头位置，包括南向接口和北向接口；南向接口负责与虚拟资源池进行通信，为SDN控制器收集关于系统整体状态信息；系统整体状态信息包括计算任务、无人机和MEC服务器之间的通信和计算资源；北向接口负责与应用平面进行通信和分发控制指令使得应用平面执行相应的无人机动作。
在具体实施例中，SDN控制器负责管理整体的资源分配，任务卸载，轨迹规划等功能。
在其中一个实施例中，如图4所示，应用平面包括通信模块、计算模块、缓存模块、移动性管理模块、轨迹规划模块和任务调度模块。
在其中一个实施例中，通信模块负责地面终端设备、基站、地面控制器与无人机的通信，或无人机集群之间的通信，以及通信资源的分配与调度；通信资源包括频带、干扰管理和功率。
在其中一个实施例中，计算模块用于利用轻量化的MEC平台进行无人机自身或其他用户终端的上传的图像处理和目标识别以及负责任务卸载决策的执行。
在其中一个实施例中，缓存模块用于对区域用户的内容的流行度进行判断并执行缓存决策更新缓存文件。
在其中一个实施例中，移动性管理模块用于当用户设备以及无人机动态移动时，将任务或计算结果交给其他无人机保证流畅的任务卸载服务。
在其中一个实施例中，轨迹规划模块用于无人机执行任务时根据多个终端的计算请求以及无人机集群中其他无人机的位置规划飞行轨迹。
在其中一个实施例中，任务调度模块用于当无人机能源不足或配备的MEC计算资源不足时，将部分任务卸载到MEC服务器空闲的地面基站或无人机。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于NFV和SDN的无人机MEC网络系统，其特征在于，所述无人机MEC网络系统搭载在无人机上，所述系统包括物理层、编排器层、虚拟功能网元控制层、NFV虚拟化层和SDN控制器；
物理层由计算硬件、存储硬件和网络硬件组成，作为整个无人机MEC网络系统的计算和存储平台；
NFV虚拟化层用于将无人机集群中的通信、计算和存储资源以及硬件资源抽象为UAV-MEC网络的虚拟资源池并将请求的虚拟资源提供给虚拟功能网元控制层执行；
虚拟功能网元控制层用于通过VNF技术对虚拟资源进行虚拟化计算和存储资源的管理与调度；
编排器层用于对虚拟化的容器进行编排后接收其他无人机或地面设备的计算任务并及时调整虚拟功能网元控制层中计算资源的分配；
SDN控制器用于将应用平面与数据平面分离，使得应用平面负责上层的控制决策，而数据平面负责数据的接收与转发并通过开放式的可编程接口实现多控制器以及与其他无人机或地面终端设备的通信；所述数据平面为虚拟资源池。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述SDN控制器部署于无人机集群的簇头位置，包括南向接口和北向接口；所述南向接口负责与虚拟资源池进行通信，为SDN控制器收集关于系统整体状态信息；所述系统整体状态信息包括计算任务、无人机和MEC服务器之间的通信和计算资源；所述北向接口负责与应用平面进行通信和分发控制指令使得应用平面执行相应的无人机动作。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述应用平面包括通信模块、计算模块、缓存模块、移动性管理模块、轨迹规划模块和任务调度模块。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述通信模块负责地面终端设备、基站、地面控制器与无人机的通信，或无人机集群之间的通信，以及通信资源的分配与调度；所述通信资源包括频带、干扰管理和功率。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述计算模块用于利用轻量化的MEC平台进行无人机自身或其他用户终端的上传的图像处理和目标识别以及负责任务卸载决策的执行。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述缓存模块用于对区域用户的内容的流行度进行判断并执行缓存决策更新缓存文件。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述移动性管理模块用于当用户设备以及无人机动态移动时，将任务或计算结果交给其他无人机保证流畅的任务卸载服务。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述轨迹规划模块用于无人机执行任务时根据多个终端的计算请求以及无人机集群中其他无人机的位置规划飞行轨迹。
9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述任务调度模块用于当无人机能源不足或配备的MEC计算资源不足时，将部分任务卸载到MEC服务器空闲的地面基站或无人机。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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