文摘
由于移动数据流量的快速增长,越来越多的基站和接入点(APs)密集部署到为用户提供无处不在的网络接入,使当前无线网络复杂异构网络(HetNet)。然而,传统的无线网络的设计和以网络为中心的方法,不同的网络有不同的服务质量(QoS)策略和无法轻易相互合作为网络用户服务。大规模的网络基础设施不能保证用户感知网络和服务质量,这是一个不争的事实。为了解决这个问题,我们设计一个新的框架的异构无线网络用户中心的原则,从用户的角度重构网络来满足他们的需求和偏好。不同于以网络为中心的方法,提出框架利用软件定义网络(SDN)和虚拟化技术,这将为无线网络用户带来更好的感知服务质量。提出了以用户为中心的框架,控制平面和数据平面分离管理HetNets在一个灵活的和合作的方式,和资源虚拟化技术是引入抽象HetNets成统一的虚拟化资源的物理资源。因此,无处不在的和未分化的网络连接和体验质量(质量的经验)驱动的细粒度资源管理可以实现无线网络的用户。
1。介绍
无线网络正在经历一个大胆的改变。增加数据流量注入从有线网络,无线网络视频流量的主要力量。根据爱立信的报告1),移动数据流量预计将增长(复合平均增长率)的复合年增长率约为45% (2013 - 2019)。这将导致交通增加到2019年底的10倍左右。为了适应移动数据流量的爆炸性增长和大量新的应用程序和服务需求,运营商部署大规模的网络基础设施,为用户提供无所不在的网络服务。与此同时,不同的无线接入网络,如蜂窝网络,无线局域网,无线网状网络共存的自由空间周围形成一个复杂的异构网络环境。因此,巨大的流量和异构特征使无线网络的管理困难。此外,随着移动服务供应商和无线网络的可用带宽,用户对无线网络的性能要求和移动服务变得越来越犀利了。尖刻的用户需求之间的不匹配的网络质量感知网络和困难在无线网络的网络管理带来巨大挑战。
然而,无线网络是传统和以网络为中心的设计方法。不同的无线接入技术(老鼠)有不同的资源格式和服务质量(QoS)策略,和无线网络管理和优化与改善网络性能的目的。不幸的是,最好的网络性能并不意味着最好的用户感知的网络服务质量。共存HetNets和QoS驱动网络管理使无线网络难以满足苛刻的用户对网络服务的要求。为解决这一问题带来的以网络为中心的方法,以用户为中心的框架出现破坏性的新的通信模式。用户中心意味着网络与网络用户中心设计和建造来满足他们的需求和喜好,重构传统无线网络的模型由于其用户中心。
提出了框架的用户中心而言,是不可或缺的两个基本特征在HetNets保证用户感知质量。首先,以用户为中心的框架应该为用户提供无处不在的和未分化的网络连接,和各种无线网络应该安排统一为用户服务。用户不需要区分不同的老鼠,为他们提供了统一的无线资源。当用户切换HetNets之间无缝流动可以实现。其次,保证网络服务的用户体验质量作为以用户为中心的资源管理的主要原则。异构资源动态分配根据用户实时感知质量。因此,以用户为中心的无线网络相关的基本原则包括无处不在的和未分化的网络连接和体验质量保证的有效资源和交通管理。然而,如何设计一个完整的以用户为中心的框架异构无线网络仍然是一个悬而未决的问题。
幸运的是,SDN的出现提出了一个可能的解决方案,以用户为中心的无线网络的设计。与此同时,网络资源虚拟化已经成为一个强大的技术在无线网络定制的资源配置。通过虚拟化SDN方法为基础,以用户为中心的设计可以实现。在本文中,我们提出一个以用户为中心的框架基于SDN异构无线网络和虚拟化。用户代理对应于每个用户可以生成软访问设备,具有连接信息保持能力和用户情况的意识。无处不在的和未分化的网络连接在异构无线网络用户可以通过动态缓解用户代理,和体验质量保证为用户通过灵活的资源和交通管理可以实现根据用户的情况下用户代理的意识。
本文的其余部分组织如下。我们总结部分的相关工作2。以用户为中心的框架异构无线网络中描述部分3。无处不在的和未分化的网络连接和体验质量保证灵活的资源以及交通管理部分中描述4和5,分别。性能提出了以用户为中心的框架和可能的开销进行了分析6,本文的结论部分7。
2。相关工作
一般来说,用户中心是一个以用户为中心的关键方面的框架(2]。研究人员向以用户为中心的设计介绍了无线网络在两个方面,如以用户为中心的无线资源管理和以用户为中心的服务性能优化。在以用户为中心的无线资源管理的角度,以用户为中心的自适应聚类方法(3)协调多点传输在浓密的蜂窝网络,每个移动站和规范化的中断容量最大化。以用户为中心的注液电池干扰协调策略4)提出了下行小细胞网络。每个用户选择协调基站(BSs)基于相对距离的废话和干扰BSs,为每个用户和占主导地位的干预是有效地识别和减轻。一个以用户为中心的下行协作传输方案(5]提出一种基于正交波束形成的有限反馈,和用户满意的QoS要求的比例明显增加。在以用户为中心的服务性能优化方面,以用户为中心的体验质量函数(6)由乙状结肠建模功能。用户的满意度在无线服务可以被纳入调度器,并最大化满足用户的平均数量。视频点播服务QoE-driven以用户为中心的解决方案(7]介绍了城市车辆的网络环境中,体验质量和高服务水平提供车辆乘客。一个以用户为中心的移动云计算服务模型(8)提出,增加了移动用户的服务的需求多样化,用户体验,就可以满足安全性和隐私。不幸的是,没有工作专注于以用户为中心的设计的异构无线网络资源管理水平服务性能优化水平。分别构建异构无线网络和各种无线电资源格式,一个以用户为中心的框架将是一个艰难的挑战问题。
另一方面,使无线网络的架构更加灵活,压扁,和可编程的,传统的无线网络趋势结合SDN的概念。随着软基带和资源虚拟化的发展(9),这个研究领域近年来吸引了越来越多的关注。一个SDN-enabled融合网络架构10],它建立在数据的解耦与控制功能的无线接入网络和核心网络控制和转发功能,提出了。高效的资源管理、QoS执法和未来可以实现网络进化的灵活性和可扩展性。作者提出了软件定义的访问(SDA) [11],它引入了一个新颖的逻辑控制路径在无线接口和移动设备。与SDN和SDWN定义无线网络(软件),SDA可以不改变部署无线接入技术的网络元素。应对日益复杂的异构移动网络(下午),作者认为SDN基础控制是一种很有前途的方法来解决控制问题在下午。一个名叫SoftMobile[的SDN基础控制框架12)提出了协调复杂的无线访问在休斯顿。在[13),all-SDN网络体系结构与分层网络控制能力是主张允许为不同等级的性能和复杂性提供核心网络服务和提供服务5 g系统的分化。总之,SDN可用于解决许多无线网络具有挑战性的问题。先进的无线资源管理无线网络,如负载平衡和协调inter-RAT基站/ APs,可以通过控制器的总体视图。无线网络以更有效的方式,网络资源虚拟化与SDN可能是一个完美的方法。因此,网络框架耦合SDN虚拟化以用户为中心的设计可能是一个实用的方法。当前无线网络虚拟化的研究,如14,15),主要集中在共享机制,包括访问基础设施共享和网络共享。在[16),作者提到物理采用无线电资源的虚拟化摘要无线资源。作者说明了框架结合SDN和无线网络虚拟化和讨论未来研究的挑战17]。然而,没有研究工作由SDN试图设计一个以用户为中心的框架,和几个重要的问题应该集中在达到这个目标。在本文中,我们提出一套编程抽象建模的基本方面,无线网络,也就是说,用户代理抽象,用户意识,和资源和交通管理。提出了抽象隐藏了底层的无线技术的实现细节,并为用户提供无处不在的和未分化的网络连接。
3所示。以用户为中心的框架异构无线网络
为了适应移动数据流量的爆炸性增长,当前网络运营商可能同时操作多个无线网络与不同的技术。这些异构网络是完全由网络中心设计方法,分别建立,主要由硬件实现使异构网络管理功能,如无处不在的和未分化的网络连接和体验质量保证为移动用户不可实现的。然而,实现以用户为中心的无线网络需要一个高度集中和灵活的控制平面管理的异构资源根据用户的体验质量。节中所描述的1、网络资源虚拟化技术和SDN将两个键来解决这些问题。基于SDN以用户为中心的框架中描述了异构网络1的网络组件,这个拟议的框架是由软基站/美联社,虚拟机,用户代理,OpenFlow开关,控制器和网络应用程序。
软基站/美联社是基于软件无线电(SDR)基站/美联社的基带部分是由软件实现。它提供了用户编程接口的用户代理可以获得用户状态信息,链接状态信息,类型的用户服务,等等。实现软基站/美联社,我们采用软基带和软MAC (18)技术,因此在LTE eNodeB, WiMAX基站间,美联社在WLAN实现通用处理器(GPP)和软件无线电外围(通用或拒绝)。
虚拟机(VM)实现网络资源虚拟化的功能。它的优点是网络状态意识知觉包括物理层和网络层测量。物理层中感知到的信息指的是信号强度,干扰,频谱的使用等等。和网络层信息包括连接、吞吐量、带宽、时延、抖动、丢包率。利用信息,虚拟机可以提供一个从异构无线资源映射到统一的虚拟化资源元素统一格式和通知控制器这些统一的虚拟化资源的使用情况。我们使用一个插件模式(19每个老鼠)开发资源虚拟化模块。
用户代理是一个代理为用户操作软基站/美联社。它拥有一个特定用户的用户信息是连接到网络和计算网络服务的用户的体验质量。它使用底层虚拟资源调度指令的控制器。当用户切换从一个基站/美联社,相应的用户代理也从最初的基站/美联社迁移到相应的一个。当一个用户的流量管理功能需要流量通过两个不同的基站/ APs,传播新的用户代理将产生协作基站/美联社,这意味着将会有两个用户代理操作两个相应的基站/ APs对一个特定的用户。用户代理实现通过维护一个配置表在软基站/美联社。
OpenFlow switch是一种支持OpenFlow切换协议。它通过OpenFlow与控制器通信协议并执行控制器发出的控制指令,和交通管理可以由动态路由策略。
控制器以用户为中心的核心框架。底层网络的全局视图,可以获得整个网络的整个虚拟资源从vm和所有可用的虚拟资源的信息,以及用户的状态,连接状态,从用户代理交通状态,和体验质量信息。交通控制是由控制器和生成的消息发送到OpenFlow开关来管理用户的流量。资源控制也由控制器和消息发送到用户代理,删除用户代理,生成用户代理和管理虚拟无线电资源。此外,控制器提供了开放api可以使用的网络管理员开发网络管理应用程序,实现以用户为中心的网络功能。
网络应用程序包括以用户为中心的应用程序操作的控制器,如交通管理、资源管理和无缝移动性。这些应用程序是通过控制器提供的开放api实现。因此,他们很容易开发和修改硬件没有任何变化。
通过SDN和网络资源虚拟化,拟议的框架改变了网络管理方法从以网络为中心到以用户为中心,这彻底重构传统无线异构网络的方式更加灵活和互助的网络。结果,保证用户感知网络的无处不在和未分化的网络连接等品质和体验质量保证网络服务可以实现。
4所示。无处不在的和未分化的网络连接
以用户为中心的框架应该为用户提供无处不在的网络连接,和各种各样的老鼠应该安排统一为用户服务的形式合作。提出了以用户为中心的框架,异构无线资源统一的虚拟化资源的抽象。不同种类的无线访问方法有不同的物理广播资源,包括功率、光谱,时间,空间,和代码。通过资源抽象、虚拟资源池维护可用资源异构无线网络的形成。如图2我们抽象的物理无线电资源的3 d网格资源:带宽、时间和位置(19]。这是一个基于位置的资源抽象,它表示,在一个特定的时间和地点,可以使用多少带宽资源对应的用户。这个metaresource模型,无线资源应该是表达的格式直接对应于用户的需求。
支持用户的无处不在的网络连接HetNets,无缝流动在不同的老鼠应该解决的是另一个重要的问题。以用户为中心的无线网络将使网络用户能够得到一致的连接到某一点访问网络,最适合他或她目前的需要在任何时候。无缝迁移是一个基本函数为我们提出了以用户为中心的框架。它是实现网络管理应用程序运行在控制器,利用网络资源虚拟化技术。用户代理的引入使得用户之间的连接状态和软基站/美联社可控。用户代理将用户信息的多层某些用户可能有助于维持用户的连接状态。从用户的角度看,一个代理是一个通用的基站或美联社处理常规通信握手对应于这个特定的用户。就像在数据中心虚拟机可以在不同的物理服务器之间迁移,用户代理可以在不同的软基站/ APs之间迁移。如果用户代理迁移速度相应用户的运动,一个虚拟的持久连接可以维持这个用户。也就是说,当一个用户从一个软切换基站/美联社到另一个地方,时间延迟交接就包括时间延迟造成的破坏在物理层和重新连接,而不是时间延迟的多层膜如物理层、MAC层和网络层。 Therefore, dynamic migration of user agent can be utilized to realize seamless mobility.
具体来说,资源虚拟化和虚拟机迁移技术使统一的无线电资源和无缝流动容易实现。如前所述,异构无线资源抽象成统一的虚拟化资源在基于位置的虚拟资源的格式。同时,控制器,虚拟资源的全局视图,可以获得用户的位置信息,物理层信息如信号强度、限幅比(信噪比),吞吐量和网络层信息,如联系,延迟和丢包率从VM。因此,控制器可以感知用户的运动和预测移动用户的移动方向。然后各种交接决策算法使得切换决策基于不同的策略(20.可以应用。如果交接条件得到满足,控制器将用户的迁移代理从源基站/美联社到目标基站/ AP用户移动,和无缝迁移的用户可以实现。
5。体验质量保证通过灵活的资源和交通管理
提出了以用户为中心的框架旨在重构无线移动网络,并从网络中心网络管理方法是改变到以用户为中心。通过迁移的用户代理,一个虚拟的持久性和未分化的连接可以保持为一个特定的用户,也就是以用户为中心的基础框架。此外,用户代理操作软基站/美联社是一个虚拟代理的用户和移动用户的用户情况可以知道,控制器可以管理交通和虚拟化资源针对最好的用户体验质量。因此,以用户为中心的网络功能,如灵活的资源管理和细粒度的用户可以实现交通管理,从资源管理水平服务和以用户为中心的框架可以实现性能优化水平。
5.1。用户情境意识
提出了以用户为中心的框架,用户代理在软基站/美联社计算网络服务用户的体验质量,积极向控制器发送该用户的情况。通过将体验质量作为网络管理的优化目标,网络设计理念已经转移到以用户为中心。控制器执行网络操作包括虚拟资源管理和交通管理根据一定的准则来提高用户的体验质量。这是一个负面的反馈过程,不同的策略可以通过控制器实现不同粒度的体验质量保证。
用户情境感知的目的是获取信息与特定的用户体验质量。由于不同类型的网络服务有不同的特征,为了更准确地理解用户体验质量,意味着客观评分(MOS)作为一个统一的指标,而不同的无线服务是由不同的体验质量感知模型。例如,最佳的努力(是)服务,我们探索人类认知和心理物理学方法的角色体验质量评估和建立模型的服务信息,完成时间,带宽体验质量。对于移动视频服务,基于可接受性的质量评估方法是采用感知体验质量(21]。为不同的移动视频服务,选择不同的特征向量,采用相应的映射方法计算金属氧化物半导体的视频服务。
为了更有效地利用无线资源,提高用户感知的服务质量,以用户为中心的功能利用无线媒体的广播性质通过合作等方法灵活的资源管理和细粒度的交通管理。
5.2。灵活的资源管理
灵活的资源管理是主要的以用户为中心功能异构无线资源管理异构无线网络的无线资源动态优化软基站的无线电资源/美联社与体验质量的目标。
异构无线资源的虚拟化和抽象的底层物理资源尽可能灵活的管理。这些统一的虚拟资源分配给移动用户根据自己的需求,优化算法,如拍卖算法,游戏理论,冲水的算法。资源管理应用程序中实现控制器如图3,主要由三部分组成:状态收集、决策制定和发布指令。在做任何决定之前,控制器将收集和更新底层网络状态信息,包括可用的虚拟资源和用户的体验质量。然后,控制器将执行决策组件决定了虚拟资源分配方案在每一个时间片。尽快确定分配方案,控制器将控制指令的用户代理,将底层虚拟资源由VM根据控制器的控制指令。
5.3。细粒度的交通管理
细粒度的交通管理是网络流量以用户为中心的功能,管理的网络流量HetNets通过动态调整交通路径和灵活的基站/美联社选择与体验质量为目标。交通管理是一个全面的网络应用程序组成的流表管理、用户代理代/删除,数据流合并计划。控制器可以为用户找到最优路由路径流量根据不同的策略。OpenFlow开关网络中包含一个或多个流表执行包查找和转发。控制器与开关通过OpenFlow通信协议添加、更新和删除表反动地或主动流动。与此同时,用户代理从OpenFlow开关和接收用户数据传输到用户设备通过底层硬件基础设施使用相应的数据包格式不同的老鼠。这种机制使多单元的合作基于传输交通管理成为可能。也就是说,当用户在多个基站间的重叠覆盖区域/ APs,控制器可以发出指令来生成多个代理这些基站/ APs的用户,和数据流服务可以从多条路径传输到用户设备。数据流合并方案采用用户设备将通过不同的路径传播流。在以用户为中心的无线网络中,网络用户的设备预计将支持多个老鼠和治疗multiradio HetNets作为一个单一的网络,创造丰富的智能组合和聚合能力的机会在这些老鼠。 That is, multiple RATs serve users in a collaborative manner to satisfy the requirements and preferences of network users.
如图4所示,eNodeB严重AP时加载和美联社一些用户服务。问题1,eNodeB与一个坏链接状态,位于重叠区域。在以用户为中心的设计中,问题1可以支持多个老鼠和与美联社建立一个连接从eNodeB卸载部分流量。这个过程应该是完全自动的,把网络服务不中断。
6。性能和开销分析
证明提出以用户为中心框架的性能在异构无线网络中,一个测试床是根据图设置5。它是由LTE(基于3 gpp释放10)和WLAN。具体来说,LTE网络由核心网络和两个软基站,实现基于OpenAirInterface项目(22]。基于我们现有的天鹅的WLAN实现实验网络(23]。十软APs部署在这个测试床,和每个AP配备无线网卡工作特别是在六频道(2.4 GHz乐队)。操作系统这些APs OpenWrt“适得其反10.03.1”版本。基站和APs都是由软件实现的通用处理器(GPP)平台和软件无线电的外围。网络控制器是ThinkServer RD640服务器配备一台Xeon e5 - 2620 CPU和16 GB的RAM。iPerf用于合成交通一代。
图6显示用户的吞吐量随着时间的推移在拟议的框架和传统的异构网络。传统的异构网络的吞吐量下降为零几秒钟由于用户的移动性。然而,在以用户为中心的框架中,用户会认为一个稳定连接在交接过程和吞吐量曲线仍是与用户不间断的流动。与相应的用户的用户代理迁移运动,用户总是可以看到一致的用户代理连接无论相关的物理AP或基站。基于以用户为中心的异构无线网络连接的用户不会断绝。因此,该框架可以为移动用户提供连续、一致的连接。
展示体验质量保证的性能基于灵活的资源和交通管理,用户满意度,表示的用户数量的比值的体验质量感到满意的用户总数,被定义为
在我们的测试床,用户与MOS值超过3.5被认为是用户体验质量满意的服务。两个最主要的服务为用户视频流等无线网络的服务和最大的努力服务被认为是在这个测试。图7描述了用户满意度的方法,基于跨层QoE-aware方法(24),和基于比例公平的方法。HetNets由LTE和WLAN在这个测试。结果表明,该方法总是保持高和稳定用户满意度与越来越多的用户,而基于QoE-aware算法的用户满意度急剧下降,当用户数量超过一定值时,网络容量的LTE或WLAN。此外,基于比例公平算法的曲线逐渐下降,越来越多的用户。因此,该方法可以确保用户体验质量的灵活的资源和交通管理。
我们建议的框架是由体验质量指标,即用户的意图来实现更多的利润以用户为中心的角度来看,同时更有效地共享有限的无线资源。因此,算法和策略提出了以用户为中心的框架下在未来可能会被体验质量评价指标。由于无线网络的以用户为中心的框架设计,体验质量指标可以贡献更多的动态行为,虽然有些可能带来的成本SDN和资源虚拟化,比如控制信令开销和延迟,也在调查这个框架。
信号和处理开销。全球网络意识和管理,控制器应该执行动态网络状态感知和虚拟化资源管理,这将生成控制器的信号和处理开销。为了解决这个缺陷,也可能采用分级控制飞机在这个框架中,域控制器和全球控制器似乎专门处理各种任务。此外,有效信号压缩和聚合方案可用于以用户为中心的框架。
控制延迟。SDN分离了异构无线网络控制平面和数据平面。无线电资源的虚拟化实现数据平面在虚拟化的资源配置上实现控制飞机。随着无线网络是高度敏感,控制信号控制平面和数据平面之间的相互作用可能会导致延迟。因此,我们认为,飞机可能意识到的数据集中的基带处理池在凹口,这将大大缩短控制之间的延迟控制平面和数据平面。
7所示。结论
以网络为中心的框架在茂密HetNets场景导致尖刻的用户需求之间的矛盾和困难的管理僵化的无线网络。不能够为网络用户提供无处不在的和未分化的网络连接和体验质量保证。为了解决这个问题,以用户为中心的框架可能是一种有效的解决方案。在本文中,我们分析的挑战和要求,基于以用户为中心的异构无线网络。然后,我们提出一个以用户为中心框架基于网络资源虚拟化技术和SDN异构无线网络。无处不在的和未分化的网络连接和体验质量保证通过灵活的资源和交通管理提出了实现用户中心的两个基本特征。此外,可能的以用户为中心的框架(如管理费用控制信令开销和延迟也进行了分析。作为我们持续的一部分为未来无线网络的架构工作,我们相信,这项研究可以阐明如何使用SDN和虚拟化技术来重构未来无线网络体系结构和促进研究5 g和超越网络。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由北京市科委研究基金项目没有。D151100000115002和WLAN成就转换基于对北京市教育局SDN项目(批准号201501001)。