无线虚拟化网络能效与时延问题研究

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移动设备的海量接入请求和移动业务的爆炸性增长需求向当前移动网络提出了严峻的挑战,于是,第五代移动网络应运而生。异构网络、应用和用户需求之间的管理和协调要求第五代移动网络应该是开放的、灵活的。所以,无线网络虚拟化(Wireless Network Virtualization,WNV)技术被提出,并凭借诸多优势,引起了学术界和商业界的广泛关注。WNV实现了基础设施和无线频谱资源的抽象、整合和共享,它在提升网络管理灵活性的同时显著降低了无线网络的部署和运营成本。此外,通过隔离部分网络,WNV为产品更新和技术演进提供了更加便捷的实现方法。一方面,全球二氧化碳排放量日益升高,为人类生存环境带来了不容忽视的影响。与此同时,频谱资源的稀缺性使得网络供应商都期待寻求更有效的方案以降低网络供应成本。因此,下一代移动网络在保证可靠传输的同时,还需要考虑能量消耗的代价。另一方面,用户是网络服务的订阅者,优质的用户服务体验也是网络设计需要考虑的一个主要因素,而时延就是衡量用户服务体验的一个重要指标。此外,传统蜂窝网络中,物理基站一经部署就无法改变,而固定的网络部署无法实现全局的资源优化,致使网络利用不充分。WNV技术为网络的灵活、高效部署提供了有效的解决方案。WVN(Wireless Virtualization Network,WVN)可以即时创建也可以即时销毁,即虚拟网络可以依据网络资源状况和用户具体服务质量需求随时改变部署策略,以提高资源利用率和网络能效。因此,有必要从时延和能效角度对虚拟网络的资源分配和网络部署进行控制。为了解决以上问题,本文主要做了如下研究:第一,研究了WVN中能效时延制约问题,提出了动态的虚拟功率资源分配方法。首先,利用WNV建立了下行通信模型,不同于传统无线网络,多个基站之间,可以共享物理网络中所有的基础设施资源和无线网络资源,并可以联合处理用户业务,进而在满足用户服务质量(Quality of Service,QoS)需求的情况下,通过功率控制实现虚拟网络能效最大化。本文将该问题建模为时延约束的能效优化问题,并利用分式规划理论和李雅普诺夫优化理论对问题进行转化,采用拉格朗日乘子法对问题进行求解。其次,通过理论推导得到了网络能效和网络平均时延的理论边界。最后,通过仿真验证了所提方法的有效性以及WVN中时延和能效的制约关系。第二,研究了无线接入网络(Radio Access Network,RAN)切片的速率时延制约问题,设计了一个动态的虚拟基站部署方法。考虑到业务的多样性和用户行为的不可预测性,以及虚拟网络组网的灵活性、高效性,本文引入随机几何理论对虚拟基站和用户的分布进行建模。然后,本文探索了一个RAN切片框架,在满足用户服务质量需求的情况下,建模出时延约束的速率最优化问题并采用李雅普诺夫优化理论对其进行转化求解。之后,通过理论推导得到了虚拟化网络中RAN切片速率和时延的理论边界以及性能关系。最后通过仿真对所设计方法的有效性以及速率和时延的性能进行了验证。
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