馮志勇　馮澤冰　張奇勛

摘要：提出采用集中式和分布式的動態(tài)頻譜管理技術來提升頻譜資源利用效率，解決無線網絡虛擬化中頻譜資源難以高效分配與不易管理難題；認為為了構建一個穩(wěn)定、靈活和開放的無線網絡虛擬化架構，需要從虛擬網絡的隔離、信令優(yōu)化設計、通用接口設計、用戶移動性管理等方面開展研究。

關鍵詞： 無線網絡虛擬化；資源虛擬化；動態(tài)頻譜管理

云計算和計算機虛擬化已經成為推動IT產業(yè)發(fā)展的關鍵技術之一。網絡虛擬化的提出將路由和交換功能虛擬化，用戶可以根據各自需求傳輸業(yè)務，而無須考慮端到端過程中每一跳是如何建立連接的[1-2]。隨著多種無線通信技術日益成熟和多樣化移動服務大量涌現，未來無線網絡呈現出密集部署、多樣業(yè)務、異構網絡并存的多樣化形態(tài)。在復雜網絡環(huán)境下，多種無線網絡技術的兼容性、用戶對不同無線接入網絡的選擇、異構網間切換等問題，是無線網絡發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)。

無線網絡虛擬化技術的提出為異構無線網絡提供了一種有效管理方式，通過對網絡資源的抽象和統一表征、資源共享和高效復用，實現異構無線網絡的共存與融合。無線網絡虛擬化可使復雜多樣的網絡管控功能從硬件中解耦出來，抽取到上層做統一協調和管理，從而降低網絡管理成本，提升網絡管控效率。集中化控制使得沒有無線網絡基礎設施的服務提供商也可以為用戶提供差異化的服務。然而，無線網絡虛擬化技術在實際應用中仍然面臨以下難題：首先，無線網絡資源既包含物理資源（如網絡基礎設施），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，其中還包括授權頻段和非授權頻段。無線網絡拓撲形態(tài)呈現出動態(tài)變化、多樣化的特征，如自組織網絡、蜂窩網絡等。其次，無線網絡性能還受到網絡內和網絡間的干擾影響。不同制式無線網絡的通信協議標準的設計存在差異化，硬件設備功能不同，將導致不同網絡資源的使用方式存在差異，異構無線網絡融合困難。因此，無線網絡虛擬化架構、虛擬化控制方式以及資源虛擬化管理等方面將是實現無線網絡虛擬化所需關注的熱點和難點。

本文首先針對3GPP國際標準化組織提出的虛擬化架構進行分析；其次，研究無線網絡資源虛擬化和資源管理方法；進一步，研究并分析了典型無線網絡虛擬化技術和實現方式。最后，簡要分析了未來無線網絡虛擬化面臨的挑戰(zhàn)。

1 無線網絡虛擬化架構

網絡虛擬化技術在有線網絡中已得到了廣泛的應用，包括：虛擬局域網（VLAN）、多標簽協議交換（MPLS）、異步傳輸模式（ATM）和軟件定義網絡（SDN）。這些技術手段能在相同物理基礎設施上虛擬出相互隔離的虛擬網絡供不同用戶使用。但是這些技術都是針對有線網絡設計的，并沒有考慮如何針對無線網絡特征進行虛擬化的問題。由于無線網絡相對于有線網絡更加復雜，因此在無線網絡虛擬化設計中需要考慮信道的不確定性、功率控制、信令開銷等問題。這樣的復雜性使得有線網絡的虛擬化技術不能直接搬到無線網絡中使用。如何將網絡虛擬化的思想引入到無線網絡中，已成為一個亟待解決的問題，并逐漸成為研究熱點。針對無線網絡信道時變、業(yè)務多樣、網絡結構復雜等特點，無線網絡虛擬化技術的實現需要合適的構架來支撐。針對無線網絡虛擬化問題，現有研究中關于架構的研究取得了初步進展。

1.1 接入網虛擬化

國際標準化組織3GPP的系統架構工作組已經開展符合技術演進的虛擬化架構—無線接入網共享增強（RSE），并定義了多個運營商共享無線接入網（RAN）資源的場景[3]，提出了網關核心網（GWCN）和多運營商核心網絡（MOCN）兩個參考框架。接入網虛擬化框架如圖1所示。GWCN方案通過多個運營商共享移動性管理實體（MME）來實現移動性管理和承載管理等功能的共享。MOCN方案中各運營商采用各自完整的核心網，僅在eNodeB層面進行資源共享。

3GPP組織定義接入網虛擬化的目標在于通過共享接入網絡資源，提升多個無線網絡資源整體利用效率，滿足數據業(yè)務爆炸式增長所帶來的網絡容量增長的需求，主要包含以下幾方面：

（1）根據相關的共享協議和/或政策，能夠使無線網絡資源在網絡實體間進行共享。

（2）根據不同無線接入共享場景，能夠高效的共享無線接入資源。

（3）針對更細時間粒度下的需求，能夠靈活和動態(tài)的分配無線接入資源。

（4）根據相關的共享協議和/或政策，能夠合理高效的解決網絡過載問題。

針對以上需求，RSE的實現需要以下4種功能：

（1）無線接入網擁有者一方面需要允許共享接入網資源的參與運營商（例如虛擬運營商）獲得相應的無線接入網絡資源，另一方面也需要這些參與運營商有同等機會獲取無線接入網擁有者對網絡操作管理與維護的狀態(tài)信息。

（2）參與運營商可以根據對網絡容量需求的變化，提出不同的接入網絡資源需求，以滿足業(yè)務需求，例如虛擬運營商在工作忙時需要更多網絡資源滿足容量需求，而在晚上或者周末等閑時僅需要占用少量無線接入網絡資源。

（3）無線接入網擁有者根據參與運營商的容量需求變化，自主重配置無線接入網絡資源，盡量滿足共享網絡的業(yè)務QoS。

（4）無線接入網擁有者需要依據參與運營商的資源分配情況和網絡負載情況，執(zhí)行合理的負載均衡措施。尤其當小區(qū)出現過載情況，無線接入網擁有者可以根據每個參與運營商可承受的最大負載情況，合理的將用戶卸載到其他小區(qū)。

以上是3GPP組織提出的無線接入網共享增強RSE方案，通過自主動態(tài)的調整無線接入網絡資源，以實現接入網資源的有效共享。這種共享方式可以有效的帶動產業(yè)界和運營商的商業(yè)模式轉變。此工作已由TR 22.852完成，并將開始新一輪后續(xù)研究工作。

1.2 全網虛擬化

無線全網絡虛擬化中網絡可以由服務供應商（SP）和基礎設施供應商（InP）組成?；A設施服務商負責生產和管理從接入網到核心網的整個網絡的基礎設施，譬如基站設備等，服務供應商負責為用戶提供多樣化的業(yè)務[4]。基礎設施服務商的資源往往虛擬化為多個子部分，服務供應商根據用戶需求，請求相應的子部分資源，為終端用戶提供端到端服務，并忽略底層物理網絡結構的差異。這樣每一子部分都認為其本身是一個完整的網絡系統，包含（虛擬）核心網和（虛擬）接入網，這些子部分也稱為虛擬網絡[5]。endprint

圖2是服務供應商和基礎設施供應商實現無線網絡虛擬化的一種網絡架構。如果設備商在同一個區(qū)域內有共同的基礎設施（基站）覆蓋，則其資源可以被不同的服務商共享使用。圖中基站A和基站B屬于InP1，基站C和基站D屬于InP2，上層的資源管理實體采用集中方式來管理InP之間的協作和隔離。重疊覆蓋的基站（如A和B）為服務供應商按需提供物理資源，這種方式淡化了網絡基礎設備和設備商的隸屬關系，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來使用。但是，這種網絡結構需要明確不同InP的基站覆蓋范圍。否則，會由于服務提供商用戶不被InP覆蓋造成服務空洞。

SP和InP也可分別成為移動虛擬運營商（MVNO）和移動運營商（MNO）[6]。很多國家已經頒布政策要求運營商開放其無線接入網絡資源給虛擬運營商，鼓勵多元化市場競爭。這樣一方面移動運營商可以通過將無線接入網絡資源租賃給虛擬運營商獲取利潤，同時也為自身騰出空間發(fā)展最擅長的通信技術，研發(fā)基站設備和實現更加精細化的運營維護等。另一方面，虛擬運營商可以發(fā)揮其市場優(yōu)勢，投入更多精力在用戶市場需求分析預測、新型增值業(yè)務和功能化業(yè)務的開發(fā)與推廣等工作，為用戶提供更為專業(yè)和定制化服務，在獲取市場利潤的同時，提高無線網絡空閑資源的利用效率，進一步提升了整個無線網絡容量。

2 無線網絡資源虛擬化

無線網絡與有線網絡最大的區(qū)別在于無線傳輸鏈路易受環(huán)境影響而對信號造成衰減。由于無線鏈路具有廣播性質，一個節(jié)點發(fā)出的無線電信號可以被其他多個節(jié)點獲取。因此，需要通過時間、頻率或者碼字等不同的維度來區(qū)分無線信號，以降低多條無線鏈路之間的干擾。在無線網絡虛擬化中，虛擬化節(jié)點和鏈路也需要通過不同的維度（時間、頻率、空間、碼字等）來避免不同虛擬鏈路之間的干擾。

無線網絡資源虛擬化的關鍵問題是如何將網絡底層各個維度資源與網絡需求相匹配。網絡底層資源可以分為多個正交的維度，例如：時間、頻率和空間等，并可以定義每個維度的能力大小。簡單的說，如果有一個虛擬化無線網絡同時支持頻分復用（FDD）和時分復用（TDM）方式，包括：頻域和時域兩個維度。當一個無線節(jié)點采用802.11b協議傳輸時，其頻域上的能力值為3，因為802.11b協議支持3個互不干擾的正交信道，而時域上的能力值需要根據單位時隙的長度和子幀長度來確定。虛擬網絡對資源的需求也可以劃分為多個維度，而且網絡底層的各維度必須要大于虛擬網絡對各個維度資源的需求。因此，網絡資源虛擬化表征與利用方式如圖3所示。

以3個維度的資源為例，圖3中長方體的長寬高對應網絡底層各維度可用資源的大小。網絡資源需求可以認為是小的長方體，這樣無線網絡資源的最佳利用方案是使得各個維度的資源能夠充分被利用，反映在圖3中長方體如何優(yōu)化填充的過程，即保證資源空間內留下的空洞最小。在實際資源分配過程中，不僅需要考慮資源的大小，還需要考慮資源的質量（如不同頻段的頻譜傳播特性的差異性）。

3 無線網絡虛擬化關鍵技術

進一步考慮無線網絡虛擬化關鍵技術，本文重點分析基站虛擬化關鍵技術，并提出無線網絡虛擬化中動態(tài)頻譜管理技術，實現對虛擬化無線網絡資源的高效利用。

3.1 基站虛擬化技術

基站虛擬化技術可通過基站集中式放置、基站間協作以及分布式天線實現，根據基站服務區(qū)域的實際需求，為基站動態(tài)分配無線資源和配置系統參數，提升基站處理能力和效率，大幅降低成本和提升系統性能。

網絡虛擬底層（NVS）[7]是基站虛擬化實現的主要方式之一，其目標是對無線網絡資源進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，譬如兩個共享基站的網絡實體，其中一個實體中的用戶由于業(yè)務量變化、位置移動或者信道條件波動，NVS需要確保另一個網絡實體不受影響；其次，NVS需要提供可定制化的功能，使共享基站資源的網絡實體對基站在一定程度可控，以達到業(yè)務的最優(yōu)傳輸，這與無線接入網共享增強RSE中的網絡操作管理與維護是相似的；最后，網絡實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。在此基礎上，我們把實際的物理網絡分為多個虛擬網絡（Slice），每個虛擬網絡由不同的流（Flow）組成，共享物理基站的無線資源。NVS的實現分為兩層，分別為虛擬網絡調度和流調度，虛擬網絡調度負責保證虛擬網絡之間的資源使用獨立，互不干擾。流調度通過一般化的幀結構在每個虛擬網絡中進行高效的流信息傳輸。在調度事件發(fā)生時，NVS首先根據虛擬網絡占用基站資源和帶寬的大小選擇能最大化系統效用或收益的虛擬網絡；然后，虛擬網絡根據數據包優(yōu)先級和QoS需求等，對傳輸數據和所需資源做媒體訪問控制層的幀結構映射。

中國移動提出的集中式接入網架構（C-RAN）進一步實現了集中化的基帶處理[8]，通過基站集中化放置和分布式天線技術可以大幅降低建網成本，提升網絡性能。通過進一步分析宏蜂窩無線網絡，我們發(fā)現無線網絡的負載呈現動態(tài)變化、時空分布非均勻特征，白天辦公區(qū)業(yè)務繁忙而晚上住宅區(qū)業(yè)務繁忙，而基站在設計時僅考慮要滿足小區(qū)的最高峰值業(yè)務需求，這就浪費了大量的處理能力。采用集中式接入網架構的核心思想是將原來分布式的基站資源進行集中部署和管理，通過網絡資源的共享與高效利用，提高資源利用效率，降低運營商的網絡建設、維護和升級的成本。其主要包括3部分：由遠端射頻單元（RRU）和天線組成的分布式無線接入網絡、基礎設施共享和實時虛擬化集中式基帶池、連接RRU和集中式基帶池的光傳輸網絡。C-RAN構架如圖4所示。采用C-RAN架構可以實現基站設備的虛擬化，實現基站資源的高效利用并降低能耗。

3.2 動態(tài)頻譜管理

認知無線電技術可提升通信系統的頻譜資源利用效率。國際上許多學者都認為動態(tài)頻譜管理技術是支撐無線網絡虛擬化資源管控的有效手段之一。在認知場景下，非授權用戶通過協商或者機會式的方式接入授權頻段，但是必須保證不影響授權用戶的正常通信。由于無線環(huán)境的復雜性，用戶接入頻段會受到來自時域、空域等多種因素的限制，為了保障用戶的服務質量，需要為用戶分配合適頻段來避免干擾[9]。本文提出集中式和分布式的兩種動態(tài)頻譜管理方法，解決無線網絡虛擬化中頻譜資源高效分配與管理難題。集中式網絡動態(tài)頻譜管理如圖5所示。分布式網絡動態(tài)頻譜管理如圖6所示。在多種接入技術（RAT）共存和重疊覆蓋的無線環(huán)境下，兩種方式通過新添加的功能模塊完成網絡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

基于所提出的動態(tài)頻譜管理架構，無線網絡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)務需求，而不必考慮上層的頻譜資源是如何分配的。無線網絡基站通過對兩個網絡的業(yè)務量進行分析預測為兩個網絡動態(tài)的分配頻譜資源。實驗驗證可提升頻譜利用效率30%以上[10-15]。

4 無線網絡虛擬化面臨的

挑戰(zhàn)

區(qū)別于有線網絡虛擬化，無線網絡虛擬化一方面面臨著無線網絡資源受限的挑戰(zhàn)，無線資源需要進行合理的虛擬化，滿足一定的空域、頻域、時域的隔離以避免干擾；另一方面，無線網絡虛擬化對移動終端的要求更為多樣，例如支持多頻段的硬件設計，高效頻譜共享方法與技術等。因此，無線網絡虛擬化技術的實施與部署仍面臨諸多挑戰(zhàn)。為了構建一個穩(wěn)定、靈活和開放的無線網絡虛擬化架構，需要從幾方面開展研究。

4.1 虛擬網絡的隔離

與有線網絡相比，無線網絡的性能對節(jié)點和鏈路之間的干擾更加敏感。因此，虛擬網絡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，它可以根據用戶的位置和吞吐量需求，從頻域和空域上對信道進行隔離使用，保證用戶之間不產生嚴重的干擾。在此基礎上，具備自配置、自由化、自愈合等網絡自組織技術也將是實現無線網絡虛擬化所需的智能高效管控技術，虛擬化網絡通過一定的反饋可以自主配置網絡資源，最大化提升網絡性能。

4.2 信令優(yōu)化設計

一方面，無線網絡虛擬化需要新的功能支持，如資源虛擬化共享、服務商和基礎設施提供商之間交互式管控等，這些新增的功能需要設計新型高效的信令來支持；另一方面，對不同的無線接入技術虛擬化之后，節(jié)點和鏈路的虛擬化資源的調度雖然屏蔽了具體接入技術差異，但是還需要有完整而統一的信令體系作支撐，在核心網側對接入網資源進行動態(tài)調度。除此之外，在頻譜資源虛擬化之后，控制信令是采用帶內專用信道、還是結合帶外或者有線的方式來傳輸，也是面臨的挑戰(zhàn)。

4.3 通用接口設計

要形成一個完全統一的無線網絡虛擬化架構，需要設計獨立于技術的通用接口來連接硬件設備，以實現不同虛擬節(jié)點和鏈路之間的信息傳輸[1]。例如，為了使得網絡控制與管理更加一體化和集中化，不同無線技術把相同或者相似的功能抽象出來，形成一個功能數據庫供本地的虛擬化管理實體進行功能調用。為此，還需要推動相關接口傳輸協議和標準的制訂。

4.4 用戶移動性管理

無線網絡需要保障移動用戶在小區(qū)間的平滑無縫切換，無線網絡虛擬化需要通過資源共享等方式為用戶提供最適合的基站接入，特別是虛擬運營商需要選擇租用合適的設備和頻譜資源為其注冊用戶提供有效覆蓋和容量支撐。因此，無線網絡虛擬化需要在服務提供商和基礎設施提供商之間設計合理的頻譜和基礎設施共享協議，保障用戶能夠選擇接入可以提供最佳服務體驗的運營商網絡。

此外，高質量的用戶業(yè)務保證、安全的虛擬化網絡以及先進的市場運營模式等也將是實現靈活智能、穩(wěn)定可靠的無線網絡虛擬化所需要解決挑戰(zhàn)與難題。

5 結束語

無線網絡虛擬化通過資源虛擬化和控制虛擬化，將傳統靜態(tài)封閉的網絡轉變?yōu)殚_放智能融合網絡。雖然現在無線網絡虛擬化還沒有一個統一認可的標準，但是諸如軟件定義網絡（SDN）、軟件定義無線電（SDR）以及認知無線電等技術的發(fā)展已經為無線網絡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線網絡虛擬化主流架構和關鍵技術，這些架構和技術將會指導智能開放的未來無線網絡設計。一體化、模塊化的網絡虛擬化結構，多維無線網絡資源的共享，通用的虛擬化網絡協議和接口設計，將是靈活智能、穩(wěn)定可靠的無線網絡虛擬化研究關注的熱點。

參考文獻

[1] CHOWDHURY N M， BOUTABA R. A survey of network virtualization [J]. Computer Networks， 2010，54（5）：862-876.

[2] PENTIKOUSIS K， YAN W， WEIHUA H. Mobileflow： Toward software-defined mobile networks [J]. Communications Magazine， IEEE， 2013， 51（7）：44-53.

[3] COSTA-PEREZ X， SWETINA J， TAO G， et al. Radio access network virtualization for future mobile carrier networks [J]. Communications Magazine， IEEE， 2013，51（7）：27-35.

[4] FORDE T K， MACALUSO I， DOYLE L E. Exclusive sharing & amp； virtualization of the cellular network： New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks （DySPAN）， [C]//Proceedings of the 2011 IEEE Symposium on， Aachen， 2011，5：3-6.

[5] XIN W， KRISHNAMURTHY P， TIPPER D. Wireless network virtualization： Computing， Networking and Communications （ICNC） [C]//Proceedings of the 2013 International Conference on， San Diego， CA， 2013，1：28-31.

[6] KIM B W， SEOL S H. Economic analysis of the introduction of the MVNO system and its major implications for optimal policy decisions in Korea [J]. Telecommunications Policy， 2007，31（5）：290-304.endprint

[7] KOKKU R， MAHINDRA R， ZHANG H， et al. NVS： a substrate for virtualizing wireless resources in cellular networks [J]. Networking， IEEE/ACM Transactions on， 2012， 20（5）： 1333-1346.

[8] HADZIALIC M， DOSENOVIC B， DZAFERAGIC M， et al. Cloud-RAN： Innovative radio access network architecture： ELMAR [C]//Proceedings of the 55th International Symposium， Zadar， 2013，9：25-27.

[9] MASENG T， ULVERSOY T. Dynamic frequency broker and cognitive radio [C]//Proceedings of the IET Seminar on Cognitive Radio and Software Defined Radios： Technologies and Techniques， London， 2008，9： 1-5.

[10] FENG Z Y， LI W， LI Q， et al. Dynamic Spectrum Management for WCDMA/DVB Heterogeneous Systems [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2011，10（5）：1582-1593.

[11] SHRESTHA S， LEE J， CHONG S. Virtualization and slicing of wireless mesh network [C]//Proceedings of the Conference on Future Internet （CFI）， 2008，6.

[12] FU F， KOZAT U C. Stochastic Game for Wireless Network Virtualization [J]. IEEE/ACM Transactions on Networking， 2013，21（1）：84-97.

[13] KOKKU R. CellSlice： Cellular Wireless Resource Slicing for Active RAN Sharing [C]//Proceedings of the Communication Systems and Networks （COMSNETS）， 2013 Fifth International Conference on， Bangalore， 2013，1：1-10. doi： 10.1109/COMSNETS.2013.6465548.

[14] LI L E， MAO Z M， REXFORD J. CellSDN： Software-defined cellular networks [R]. Computer Science， Princeton University ， Princeton， NJ， USA， 2012.

[15] HOFFMANN M， STAUFER M. Network Virtualization for Future Mobile Networks： General Architecture and Applications [C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Communications Workshops （ICC）， 2011，6：5-9.endprint