无线网络的发展深刻影响着人类社会的生产生活方式,随着LTTE(Long Term Evolution, LTE) /LTE-A(Long Term Evolution Advanced, LTE-A)网络的商业应用和推广,带动了以即时通信、移动社交媒体、高清视频业务和在线Web服务为代表的移动互联网业务发展。第五代移动通信技术的逐步开展,将进一步对物联网、工业互联网和车联网等社会生产方式带来深刻变革。然而日益复杂的无线网络通信系统及快速增长的业务需求,使得无线网络面临新的挑战。主要体现在应用场景的多样化、业务的动态化与僵化的无线网络架构之间的矛盾,业务的泛在化、体验质量差异化与单一的以服务质量(Quality ofService,QoS)为目标的网络管理机制之间的矛盾,以及接入网络异构化、网络重叠覆盖与异构网络独立部署、独立管理之间的矛盾。以上矛盾使得无线网络应用场景、无线业务的需求无法与多维度的网络资源按需匹配,无线网络面临着业务体验质量难以得到保障、异构资源利用率低下、网络资源难以适应动态变化的业务和应用场景等问题。本文针对以上问题,提出了按需的无线网络管理机制,并围绕该管理机制深入研究了按需的无线网络虚拟化框架及其验证网络平台的实现方式,分别对业务“需求”的感知技术、虚拟化无线资源和虚拟化网络资源的按需管理技术进行了深入的研究。本文的研究成果能够提升异构网络协作性、降低网络开销,从“微观”上以用户的角度保障无线业务体验质量;另外,实现面向业务需求的动态微服务映射和资源分配,从“宏观”上以网络的角度保障业务整体性能。本文的主要工作可以概括如下:1、提出了基于资源虚拟化和微服务的按需架构。本文分别从按需的无线虚拟资源管理和按需的网络虚拟资源管架两个方面设计了按需无线网络虚拟化框架。在无线接入侧,基于软件定义网络和网络功能虚拟化技术,引入了面向异构融合管理的虚拟资源层和集中式的无线接入控制器,提出了基于虚拟资源层的新型异构无线资源管理模式。通过半实物视频业务仿真,验证了无线网络虚拟化框架的可行性,仿真结果表明,所设计架构能够有效提升异构无线网络中的业务性能。另一方面,针对业务流量需求动态变化、应用场景迭代更新加速的挑战,首次在无线网络中引入了微服务设计,并对微服务之间的通信机制、发现机制和按需的组网方式进行了详细设计。通过业务链的动态映射和网络虚拟资源的动态分配实现按需的无线网络组网机制,能够有效应对未来无线网络中应用场景多样化和业务动态化的需求。2、实现了无线网络虚拟化框架验证平台。本文根据所设计的虚拟化框架,分别从接入网、核心网、用户终端和组网方式四个方面研究了网络验证平台整体实现方式。针对无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)网络中完全由终端决策的网络附着和资源使用方式等不足,设计并实现了基于虚拟接入点的WLAN网络架构,增强了 WLAN网络对用户终端和无线资源的管控能力。在LTE网络中引入集中调度器,提升LTE网络对全局资源管控能力,实现了无线资源的虚拟化,并基于开源工程实现WLAN网络接入点和LTE基站。采用Floodlight控制器设计实现了无线接入网络控制器,实现对异构无线资源的统一管控。在核心网,对数据与控制进行解耦,实现核心网对OpenFlow协议的支持,以及对异构网络数据流的统一管理。在用户终端中引入虚拟交换层,实现终端对无线网络虚拟化框架的支持。并进一步基于Juju和Openstack等开源工程实现了微服务网络的映射、编排管理。3、研究了面向业务体验质量的按需无线虚拟资源管理技术。针对目前网络架构中难以获得业务体验质量需求的现状,首先研究了无线业务体验质量的感知模型。在视频业务方面,本文根据自然场景统计特征理论,选取对网络失真更为敏感的Shearlet变换系数的分布作为自然场景统计模型的特征参数,结合反向传播神经网络(Back Propagation Neural Networks, BP-NN),建立了无参考视频业务体验质量评估模型,并采用LIVE视频质量数据库和EPFL-PoliMI数据库对模型进行训练和验证。其次,针对在线Web业务,定义了视觉信息量概念,深入研究了视觉信息量和业务响应等待时延对Web业务体验质量的影响,基于心理物理学中的韦伯费希纳定律建立了 Web业务体验质量感知模型。实验结果表明,相较于目前已有算法,本文所提算法对业务体验质量感知结果更为准确。随后针对业务体验质量的需求,提出了基于Stackleberg博弈的按需无线虚拟资源管理方式。在满足业务基本体验质量的情况下,对用户额外需要提升的体验质量部分进行动态定价,并采用完全信息的博弈求解方法获得虚拟资源分配的纳什均衡点,实现业务体验质量与网络开销的协同优化。仿真结果表明,本文所提算法能够更有效地保障用户业务体验质量,避免业务对网络资源的过度占用,降低网络开销成本。4、研究了基于业务链的按需微服务映射与虚拟资源分配技术。基于微服务的网络管理方式可实现针对应用场景和业务需求的按需组网和动态调整,按需的组网涉及三个方面,首先将一系列微服务组件构成完成特定功能和业务逻辑的业务链;其次将业务链映射至物理网络;最后是根据业务整体需求为各个微服务组件分配网络虚拟资源。这三个方面相互嵌套、相互影响,本文综合考虑投资成本、运营成本和链路成本,从节点映射角度,将按需组网中的三个方面联合建模为混合整型线性规划(Mixed Integer Linear Programming,MILP)问题,该问题为 NP-Hard 问题,难以在多项式时间内找到最优解。为采用CPLEX优化软件求解最优解,本文从链路映射角度对微服务组网的优化目标函数和约束条件进行重新建模,求解结果表明当网络节点小于50时,CPLEX可以在有限时间内得到最优解,但求解时间花费较长。最后,本文针对所建立的MILP问题提出了启发式的分步算法,将相邻微服务间的资源分配问题建模为线性规划问题,并采用多路径贪婪算法搜索业务链构建与映射策略。实验结果表明,本文所提算法总能得到最优解1.25倍以内的次优解,并且在中等规模的网络中可以实现分钟级别的微服务网络映射。本文所提算法可用于线上网络动态规划。