基于 NFV 和SDN 的无线网络虚拟化关键技术研究

基于NFV和SDN的无线网络虚拟化关键技术研究

张恒升

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

摘 要：随着无线网络应用的进步，人们对于无线网络性能要求越来越高，如何能够实现网络的灵活性、可编程性、可扩展性成为研究热点。本文利用NFV和SDN进行了网络功能和网络资源的虚拟化，提出了一种基于神经网络PID算法的虚拟资源分配方法，利用网络切片技术实现网络按需定制。

关键词：NFV；SDN；神经网络PID；网络切片

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1674-7976-(2017)03-224-05

Research on Key Wireless Virtualization Technology Based on NFV and SDN

ZHANG Hengsheng

Abstract: With the development of wireless network application, people have higher requirements for the performance of

wireless network. How to realize the flexibility, programmability and expandability of network become the research hotpots. With the aid of NFV and SDN, this paper has realized the virtualization of network functions and resources. A method of distributing virtual resources based on the neural network PID control is presented and network on-demand customization is realized by using network slicing technology.

Key Works: NFV; SDN; Neural Network PID; Network Slicing

网络架构解耦成应用、控制、转发三层分离的架构，并通过标准化实现网络的集中管控和网络应用的可编程。”[1]

随着网络和通信技术的进一步发展，网络的应用在我们的生活中已经无处不在。人们对于网络性能、网络的异构性、数据的多源化的需求与现有网络的固有的功能可扩展性差、个性定制化困难、基础设施成本居高不下的矛盾日益突出，网络的虚拟化技术引起了人们的关注。虚拟化目的是达到软硬件分离，网络解耦，各部分发展，使用通用化的网络设备，提高基础设备的利用率。

软件定义网络 (Software Defined Network, SDN)定义为：“一种新兴的、控制与转发分离可编程的网络架构，其核心是将传统网络设备紧耦合的 收稿日期：2017-03-08。张恒升（1987—），陕西西安人，

硕士研究生，主要研究方向为网络管理、通信与信息系统。

0 引言



网络功能虚拟化（Network Function Virtuali- zation, NFV）[2]，目的是将网络功能从硬件设备中解耦出来，以降低电信运营商的成本。

网络虚拟化技术之前主要经历了虚拟局域网络、虚拟专用网络、主动可编程网络、覆盖网络几个研究阶段，主要目的是解决网络的灵活性和维护性。由于虚拟网络、虚拟服务器、虚拟存储等技术发展迅猛，虚拟化技术在互联网领域应用广泛。由于虚拟化本身对于网络的管理能力、资源分配能力、通用设备性能要求高，无线网络又具有节点移动性、链路可靠性、网络时延、频谱资源等特点，无线网络的虚拟化有别于有线网络，现阶段提出的网络虚拟化技术在核心网络（即有线网络）中的研究

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比较多。

研究无线网络虚拟化主要存在的难点和重点是：

(a)网络的可靠性差，抗干扰能力弱。 (b)由于无线带宽，要降低网络管理的资源占用率。

(c)增加频谱资源的管理和网络延时的考虑，增加了管理难度。

(d)无线网络具有移动性的特点，网络拓扑结构多变。

解决思路和方法：

(a)利用SDN和NFV设计网络框架，提高网络可扩展性，通过分离网络功能，提高网络应用的灵活性。

(b)将频谱资源进行虚拟化，建立资源池，对资源进行统一管理，降低管理复杂度。

(c)利用网络切片技术，支持网络服务定制，定制网络相对，减小网络之间交叉管理，从而降低网络管理的资源占用率。

(d)利用射频拉远头（Remote Radio Head, RRH）增加网络的容量，结合虚拟节点和虚拟链路映射技术，简化网络的移动性管理，使网络拓扑结构灵活变化。

表1 SDN和NFV对比

区别 SDN NFV Open

European

组织者

Networking Telecommunication Foundation Standards

(ONF) Institute(ESTI) 核心

控制平面与 将网络设备的功能从部分 数据平面分离 网络硬件中解耦出来 应用 园区网、数据 场景 中心、云 运营商网络 适用于OSI模型

链路层、网络层

传输层、会话层、 表示层、应用层 最新协议 Openflow 暂无

应用 统一接口、简化标准化设备、动态分配目的 网络结构 资源、网络扩展 目标 商用服务器 设备

和交换机

商用服务器和交换机

1 无线网络虚拟化体系设计

利用SDN和NFV来重新设计网络体系架构，

使得不同制式、不同能力的节点、链路可以互联互通，统一融合到虚拟网络架构中，从而便于资源的动态调配及共享。

SDN和NFV在应用方面存在一些特点，如表1所示。

将SDN和NFV相结合，为网络的虚拟化提供优化的解决方案：

(1)使用通用的硬件来代替昂贵的专业设备； (2)软件控制平面从专业设备硬件中剥离出来，转移到数据中心等更优化的位置，用服务器或者虚拟机来实现。

(3)数据平面的控制从专业设备提取出来，进行标准化，使网络和应用的更新无需网络设备的硬件升级。

SDN使得底层网络能更好地响应上层应用，而NFV则使得上层应用能更好地满足和实现用户的需求。结合SDN和NFV对无线网络的数据中心和站点进行网络虚拟化结构设计，如图1所示，利用SDN设计无线网的控制层面的软件化，利用NFV分析重组传统网络硬件的功能组件并用软件实现，控制层面向应用层面提供高效开放的API，屏蔽不同无线网络架构带来的差异化。网络功能可编程，使网络管理的更灵活，高效利用网络资源。

网络虚拟化的过程主要分为网络资源的虚拟

化和网络功能的虚拟化。网络资源的虚拟化包括对

于物理资源的虚拟化、对于链路节点和链路的物理映射。网络功能的虚拟化是通过NFV技术对于专业设备中的网络功能进行软件化，实现可扩展、可定制。最终整个网络虚拟化功能通过逻辑集中控制器，根据具体的任务，通过虚拟资源控制器、网络功能控制器，构建网络传输路径和虚拟网络。

2 基于SDN网络资源虚拟化

2.1 建立虚拟资源池

利用SDN技术实现资源和控制的分离建立虚拟化资源池，使对于网络资源的配置和调用能够屏蔽底层物理资源的，达到资源的高效化利用。进行资源的表征，是物理资源进入资源池之前，运用抽象的方法将资源进行具体化的表示。

当前无线网络资源主要包括：波形资源、天线资源、频率资源和功率资源，资源管理器主要完成

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网络资源的表征、映射、移动、管理、分配。

如图2所示，虚拟网络控制器对无线网络进行虚拟化，以形成虚拟网络，网络任务到达网络时，虚拟网络控制器根据任务自动生成网络拓扑，并向

网络资源控制器请求资源，网络资源控制器向该虚拟网络提供功率、频谱等资源，网络控制器根据丢包率、时延等指标对网络进行自适应调整，并根据任务需求对资源池中的资源进行动态调整。

功能编排（网络逻辑集中控制器） NFV虚拟资源 控制器 网络功能 控制器 SDN应用层 资源池 北向 资源类聚网络基础设施 SDN控制器 南向 数据转发层 图1 基于NFV和SDN的网络架构

节点链路 控制器 虚拟资源 控制器 虚拟网络 控制器 逻辑集中 控制器 任务匹配 资源匹配 资源供给 任务1 任务2 任务n 资源池 存储 频谱 计算 天线 能量虚拟网络1虚拟网络2虚拟 网络n 表征 映射 无线网络架构 网络基础设施

图2 网络资源虚拟化

2.2 虚拟资源分配

节点和链路资源是保证网络连接的基础，对节点和链路资源进行虚拟化可有效提高网络性能。节点和链路的映射算法是实现无线网络虚拟化的关

键，由于无线链路的节点容量、链路带宽有，所以在进行无线网络节点和链路映射时，必须增加节点容量和链路带宽的条件。需要考虑的问题：

（1）在带宽情况下，如何在大量网络请求时，既要保证服务质量，又要保证低延时的要求。

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（2）面临大量来自异构网络的网络请求时，如何进行资源的动态调配。

传统网络资源分配方法[3]基本都是基于链路可靠性或者链路干扰的特性进行虚拟资源的分配，主要都是静态的方法，在资源分配完成之后不能进行动态调整，一旦网络结构或者资源池资源发生变化时自适应差。本文提出采用神经网络PID自适应控制算法进行资源的分配，本方法以网络QoS预设误差和任务控制误差作为控制器输入，对系统的资源分配进行动态的控制，控制网络前向采用PID算法，

任务管理器 任务1 反向控制采用神经网络控制实现自适应调整，控制器内部神经网络模块对PID的比例、积分、微分三个参数进行动态调整，加快系统收敛速度，降低时延，使系统自动调整逼近预设误差。系统结构如图3所示，任务管理器从资源管理器获取资源，任务服务质量监控模块对任务质量进行监控，神经网络PID控制器通过任务服务质量监控值与平均值差值为输入对资源管理器进行动态调整，保证网络QoS服务质量。

任务服务质量 监控 任务2 资源 管理器 与QoS平均值

作差

任务3 任务4 ： 神经网络任务n PID控制器

图3 神经网络PID自适应控制资源控制

切片3切片2切片1用户VNF控制 VNF 服务VNF3 基于NFV的网络功能虚拟化

3.1 利用RRH池提高网络容量

运用NFV技术实现网络功能的虚拟化，主要是运用通用化的存储、计算、网络设备替代专用网络设备，目前在LTE网络的中，NFV主要是应用在核心网和部分网元功能，对于无线网络运用NFV技术，尚在研究阶段。本文提出通过部署密级RRH[4]，将网络的承载与覆盖进行分离，用以提高网络的容量，结合虚拟网络节点和链路技术，实现对于网络移动性管理的简化。

在无线网络的研究过程中，主要存在硬件设备负荷、网元CPU占用率、用户容量门限、带宽使用，接口通用化等关键技术。如图4所示在无线网络架构中，通过基站虚拟化，控制RRH配置高发射功率，数据功能配置低发射功率，实现大范围覆盖和高频率复用。

虚拟化资源 RRH池

图4 基于NFV的网络虚拟化管理

通过集中式基带处理、集中式协议处理，使资源的处理具有灵活性，通过虚拟资源的有效配置，使节点的配置不受限于物理位置的，从而灵活适用于网络拓扑结构的快速变化，更好服务于定制化的网络切片，应用NFV在通用设备上定义相应的虚拟网络功能（Virtualized Network Function, VNF），当需要根据业务需要进行虚拟网络分片时，会调用NFV管理器，根据需求软件实现虚拟节点

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和网络功能，分配物理基础平台资源。 3.2 网络切片策略

网络切片技术是网络功能虚拟化应用于5G阶段的关键技术，随着2017年3月5G技术第一阶段结束，已经充分验证了无线和网络关键技术在支持5G场景的技术可行性。相对于有线网络，无线网络对于网络管理的资源占用率要求更低，运用网络切片技术，根据不同的需求，建立相对的逻辑网络，软件化网络功能，网络内高度自控、安全隔离，在切片设计初期将考虑网络管理资源消耗，通过共享切片、切片之间的功能相互叠加，减少后期网络的管理数据量，减少网络管理的资源占用

需求 率。

如图5所示，切片管理功能模块会受到NFV控制，网络切片架构包括切片选择和管理功能，网络切片分为切片和共享切片，切片具有的功能，包括控制面、用户面和服务面的功能，为特定用户设计了特定功能；共享切片提供了一些基础功能的切片，可供切片使用，提供共享功能或者端到端功能。对于切片的管理主要分为商务设计、实例编排、运行管理三个阶段，第一阶段设定网络基本拓扑结构、性能指标、硬件要求、交互协议；第二阶段进行网元功能配置、联通性测试；第三阶段进行资源的动态管理、切片自身维护升级、故障处理。

第一阶段：商务设计 网络编排管理 切片管理 切片选择 共 享 切 片 切片1 第一阶段：实例编排 切片2 第一阶段：运行管理 切片3

图5 面向业务的网络分片策略

4 小结

文章对比有线网络虚拟化，分析了无线网络虚拟化的重点和难点，提出了解决的思路和方法，基于SDN和NFV技术构建网络实现网络功能分离、网络软硬件解耦，通过RRH池结合虚拟资源解决无线网络移动性和拓扑结构快速变化问题；利用网络切片技术进行网络功能软件化，提高网络管理效率；应用神经网络PID控制算法，提高了虚拟资源动态分配效率。

参考文献：

[1] 周振勇. NFV技术进展及其应用探讨[J]. 电信网技术,

2016(7).

[2] 沈成彬. SDN/NFV 技术的接入网应用[J]. 中兴通讯技

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[3] 刘川川. 无线网络虚拟化中资源分配算法研究[D]. 湖

南大学, 2013.

[4] 孙茜等. 基于NFV与SDN的未来接入网虚拟化关键技

术[J]. 信息通信技术, 2016(1).

[5] 侯建星. 网络切片在5G 中应用分析[C]. 中国通信学

会信息通信网络技术委员会, 2015.