面向NFV的无线服务网虚拟化资源分配与映射算法研究

Ossification problem constrains the transferring step from mobile internet to wireless service network. Network Function Virtualization (NFV) is considered as an effective solution to handle this problem. However, because of the huge difference in the network characteristics, it leads to inefficient resource utilization by conventional method in NFV-oriented wireless service network. To handle this problem, this project divides wireless service network into wireless access and routing networks, respectively. The optimization model will be established through the abstraction of wireless environment characteristics, such as interference, multipath fading, wireless, and dynamic bandwidth. Convex optimization and mathematical programming will be employed to solve the model and obtain the influence mechanism of these characteristics to the virtual resource utilization, and on the guidance of that, the NFV algorithm with high adaptability to the wireless service network will be designed through employing network coding and so on. The research objects of this project involve new characteristics of the network environment and new constraints, and the results will reveal the coupling relationship between the above wireless environment characteristics and node, link mapping process. Moreover, a series of key problems in wireless NFV design will be discussed, such as link mapping with lossy constraint, multi-hop path bandwidth loss, and the tradeoff between the cooperative transmission and link interference, and improve the utilization of the wireless service network.

移动互联网在向无线服务网的演进中，一直受僵化问题的制约。网络功能虚拟化(Network Function Virtualization, NFV)是解决该问题的有效手段。然而，由于在网络特征上存在巨大差异，导致传统资源分配方法无法有效解决无线服务网在NFV过程中的资源效率问题。对此，本项目将无线服务网络特征一分为二，分别针对无线接入网和无线路由网中的虚拟资源分配与映射问题，通过对干扰、多径衰落、动态带宽等无线环境特征的建模，构建基于凸优化和数学规划的性能分析方法，获得上述因素对于虚拟资源效率的影响机理，然后通过借助网络编码等技术，设计对无线服务网络特征具有高适应性的资源分配算法。该项目研究了新的网络环境特征，将揭示干扰对虚拟资源效率的影响机理，解决节点与链路映射的耦合关系、有损链路约束下的链路映射、多跳路径带宽损失、协作传输与引入干扰折中等关键问题，提高无线服务网络资源效率。

本项目面向无线服务网的典型应用场景，开展了无线网络虚拟化资源分配与映射算法研究。研究成果能够有效解决僵化问题，提升无线服务网的网络资源利用率，可以为面向无线网络的网络虚拟化资源分配算法设计提供理论依据，为网络虚拟化技术在未来无线服务网络中的大规模部署提供有益指导和技术支撑。.本项目重点针对如下问题开展了研究和创新：（1） 小蜂窝网络集成移动边缘计算下基于网络虚拟化的任务卸载与功率优化。 （2） 网络虚拟化LTE叠加D2D通信下的虚拟资源映射。 （3） 物理层网络编码辅助下的异构蜂窝网络虚拟化资源映射。 （4） 未来多运营商物联网场景下的虚拟化资源映射与激励设计。 （5） 无线路由网络的虚拟网络功能部署与优化。. 通过本课题的研究取得了以下主要成果：（1）通过将任务卸载、虚拟切片分配和用户功率优化统一建模，然后利用替代模型进行问题分解和转换，提出一种基于交替方向乘子的分布式任务卸载与功率优化算法。（2）利用虚拟功率带宽积对运营商收益建模，并通过分解迭代和约束结构降低模型复杂度，提出一种网络虚拟化LTE叠加D2D下面向运营商收益的资源映射方法。（3）通过引入物理层网络编码对小蜂窝网络的上下行自干扰进行开发利用，将物理层网络编码的时隙对称性和信息速率特点建模成约束，并通过利用其推导的上界对模型进行近似，提出一种基于物理层网络编码的自回程异构蜂窝虚拟资源优化算法。（4）利用博弈论模型对多运营商虚拟节点共享以及能量传输装置之间的交互进行建模，并通过模型近似和迭代分解，提出一种多运营商无线供能物联网资源优化算法。（5）通过对虚拟网络功能布置下的无线广播特性建模，提出一种基于Steiner树的无线路由网虚拟网络功能部署算法。. 基于本课题的研究成果，项目负责人以第一作者发表学术论文12篇，其中IEEE Trans. 论文1篇，SCI检索4篇，EI检索7篇；提交发明专利4项，其中授权1项；培养博士后1人，协助培养博士研究生5人，硕士研究生3人，圆满完成了既定目标任务