关键词：
5G移动通信
资源分配
服务功能链
虚拟网络功能
映射
备份
调度
摘要：
移动通信即将跨入5G时代,5G三大典型应用场景要求更高的数据传输速率、更多设备连接密度和更低端到端服务时延等关键性能指标。因此,5G引入了软件定义网络和网络功能虚拟化技术,通过将控制平面和用户平面、网元功能和专用设备解耦,实现了基础设施平台的虚拟化,能够按需为用户提供多样化的网络服务。针对5G虚拟化环境下的资源分配方法研究,目前还存在以下问题:(1)缺乏能够应对服务大规模动态到达且一阶段优化服务时延的服务功能链映射方法,导致难以满足5G低时延业务需求;(2)采用冗余备份方法保证服务可靠性,未考虑备份资源利用率,导致备份资源的浪费;(3)虚拟网络功能调度未充分考虑链路带宽分配策略,使传输时延成为制约总服务时延的瓶颈,导致无法获得较好的调度方案。为了应对5G对时延和可靠性等性能指标的需求,需要对有限的基础设施资源进行高效的分配。针对上述问题,本文依托863计划项目对5G虚拟化环境下资源分配问题展开专门研究。论文首先将处理时延和传输时延联合考虑,利用动态规划思想找到单个网络服务时延开销最小的服务功能链映射方案;进而,通过对初始映射视图中的虚拟网络功能的备份代价重要度进行排序,采用联合备份的方法提高网络服务的可靠性;最后,通过改变同一节点上不同虚拟网络功能的实例化顺序以及动态的链路带宽分配,降低多个网络服务的整体服务时间,完成虚拟网络功能调度。课题主要研究成果如下:1.提出了一种基于动态规划的服务功能链映射方法。该方法考虑了虚拟网络功能在物理机上的处理时延和流量在物理链路中的传输时延两种时延类型,以最小化单个网络服务的时延为优化目标,采用动态规划思想找到相应的服务功能链映射方案。仿真实验证明该方法在服务平均处理时间、服务请求接受率、运营商收益和算法执行时间等方面具有良好的性能。2.提出了一种基于备份代价重要度的虚拟网络功能备份方法。该方法首先在初始映射视图中对每个虚拟网络功能的备份代价重要度进行计算,每次迭代选择具有最大和次大备份代价重要度的虚拟网络功能进行联合备份,设计相应的选择和更新模型得到相应的备份方案。最后,将该方法与其它三种方法进行对比实验,所提方法在备份成本开销、占用的物理节点数量、服务请求接受数量和备份资源利用率上具有良好的性能。3.提出了一种基于联合遗传和禁忌搜索算法的虚拟网络功能调度方法。该方法首先利用整数线性规划建立了虚拟链路的动态带宽分配策略,然后在传统柔性车间调度模型的基础上引入了数据流量在虚拟链路中的传输时延,建立了相应的虚拟网络功能调度模型。之后,设计了采用联合遗传和禁忌搜索算法的启发式调度算法,通过在遗传算法寻优过程中引入禁忌搜索,平衡全局搜索和局部搜索能力,以解决遗传算法早熟的问题。仿真实验表明,所提方法减少了总的服务完成时间,不仅满足了5G低时延业务的需求,而且提高了用户体验和移动运营商的收益。
