无线网络侧虚拟化技术探讨

      随着智能终端和多种业务的蓬勃发展，未来无线网络呈现出密集部署、多样业务、异构网络并存的多样化形态。在复杂网络环境下，高弹性和可扩展网络技术的研究受到越来越多的关注与重视，网络虚拟化技术就是其中之一。

　　早期针对网络虚拟化技术的研究主要集中在核心网侧，如虚拟局域网（VLAN）、软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）等。虚拟化技术在核心网络侧已经得到了广泛应用，而随着未来5G无线网络业务需求的激增，无线接入网络侧虚拟化技术也逐渐提上日程。无线网络相比于有线网络更加复杂，需要考虑信道的不确定性、干扰、信令开销以及高速移动性等问题，另外还需要考虑回传网络的容量和时延限制。

　　C-RAN是中国移动在2009年提出的无线接入网形态。C-RAN通过无线射频单元（RRU）拉远的方式，将基带处理资源进行集中，形成一个基带资源池并对其进行统一管理和动态分配，在提升资源利用率、降低能耗的同时，还可以通过协作化技术来有效降低干扰，提升网络性能。目前，C-RAN集中化部署技术已经成熟，并在国内多个城市现网中进行了规模部署。C-RAN通过BBU集中化处理实现了BBU层面的虚拟化，是无线接入网络侧虚拟化技术的体现之一。在C-RAN中，基站不再是一个独立的物理实体，而是基带池中某一段或几段抽象的处理资源，网络根据实际的业务负载，动态地将基带池中的某一部分资源分配给对应的小区。

　　针对未来5G网络的虚拟化技术，可以脱离现有网络架构和协议标准等束缚，伴随着高频段频谱资源的大量开发使用，以及未来硬件和软件系统处理能力的不断增强，无线网络侧虚拟化技术可以和已有的SDN和NFV技术结合，通过对网络资源（包括物理设备资源和频谱资源）的抽象和统一，将复杂多样的网络管控功能从硬件中解耦出来，抽取到上层做统一协调和管理，构建一个更加灵活有效，同时低成本、高效率的全虚拟网络。

虚拟化网络架构

　　将SDN和NFV的设计思想引入到无线网络侧架构设计中，可以将虚拟化网络架构分为3层：基础设施层、虚拟化管理层和业务层，如图1所示。基础设施层由众多的基础设施提供者（InP）组成，每个InP包括大量的可编程的支持虚拟化的节点，如宏站、Small Cell或RRH（Remote Radio Head）等。虚拟化管理层由一系列分布式的管理节点组成，如域管理器等，管理节点为逻辑节点，也可以直接位于宏站或者功能强大的Small Cell节点。管理节点负责虚拟网的创建、更新，虚拟资源的管理等。业务层由众多不同业务和应用组成，这些业务由管理节点调度和分配，完成特定的功能。

　　在该架构模型中，虚拟化管理层通过虚拟化资源统一描述方式将底层资源的细节屏蔽，为上层业务提供统一的虚拟资源抽象。虚拟网的构建是以业务为基础，针对不同的业务和应用类型选择不同的虚拟资源为其提供服务，以更好地适应不同业务QoS需求。虚拟化管理层内，管理节点间可以通过分布式的方式进行协同和交互，以获取邻近节点的信息，实现更大范围内的管理信息共享状态。

　　对于无线接入网络侧，虚拟管理层的主要功能包括：

　　●   以业务为中心的虚拟小区创建和更新；

　　●   虚拟资源的管理（包括回传网络资源和空口资源）；

　　●   连接移动性控制；

　　●   上下文信息的管理和使用。

　　在该网络架构下，将管理和控制分离，同时引入控制和数据分离的机制，用户首先接入控制面节点，控制面节点和数据面节点可以不相同。同一用户的不同业务数据面节点可以不同。除了业务数据传输外，控制面节点主要功能还包括：

　　●   产生所有层2的控制信令；

　　●   负责虚拟小区内部的调度和资源分配。

　　数据面节点只负责数据的发送和接收，相关的控制信令需要传给控制面节点来发送。数据面节点、控制面节点和管理节点之间的关系如图2所示。

       由于管理节点为逻辑节点，可以为域管理器，管理一个区域内大量可编程节点，也可以位于某一节点内，管理周围少数几个节点，因此该架构模型下管理功能既可以是集中式也可以是分布式，或者混合式，取决于实际部署情况。相比于分布式，集中式部署能够获取信息更多，可以综合考虑管辖范围内所有节点的能力和资源使用情况，性能会比分布式更有优势，但集中式部署需要考虑各节点和管理节点之间传输的带宽、时延和成本问题。

虚拟小区构建

　　无线网络资源虚拟化的两个重要问题是为不同业务提供服务的节点映射问题和虚拟资源分配问题。节点映射即确定某个业务采用哪些节点来为其提供服务。传统网络中，按照信号强度如RSRP/RSRQ等指标为用户选择一个服务小区，该用户所有业务均由该服务小区提供。超密集网络场景下，大量无规则部署的Small Cell将面临干扰复杂和负荷分布不均的问题，传统的以信号强度为指标的小区选择方式将不再适应。

　　接入网络侧虚拟化在底层会考虑小区的虚拟化，即弱化小区概念，消除小区边界，始终以用户或业务为中心。用户或业务不再由固定的某一小区来服务，而是根据节点特性、业务QoS需求以及无线环境等综合因素，由管理节点选择并将节点列表通知控制面节点，构建针对该业务的虚拟小区，同时，随着UE的移动，动态更新虚拟小区内的节点成员。

　　节点映射算法中，管理节点可以综合考虑无线信号质量、节点BH性能、业务QoS需求等约束条件，同时可以利用用户上下文信息，采用集中式或分布式方式选择服务节点，以充分利用BH资源、平衡各节点之间的负荷，一定程度上最大化系统性能。

　　虚拟小区内多个节点通过协作来为某一业务提供服务，能有效解决节点之间的干扰问题，为用户提供高速率和稳定的优质服务。LTE-A中引入的CoMP（多点协作传输）技术，从一定程度上也体现了以用户为中心的思想，可以看做小区虚拟化的前身。然而，LTE-A中的CoMP只能算作部分虚拟化，CoMP技术关注的还只是小区边缘用户的干扰问题，协作传输只是针对少量边缘用户，同时，LTE-A系统中，参考信号并没有完全和小区ID进行解耦，控制信道和数据信道也没有进行分离，因此并没有实现真正的虚拟化。

　　针对未来5G网络的虚拟小区，小区不再和节点关联，而是以用户为中心，用于数据传输的参考信号会和节点ID解耦，管理、控制和数据节点分离，网络中任何位置都可以形成以用户为中心的虚拟小区，实现全局虚拟化。

虚拟资源管理

　　对于虚拟化管理层中的管理节点来说，虚拟资源的管理是其重要功能之一，如何避免各节点之间的干扰，有效利用时域、频域和空间域资源，是无线资源管理的关键。

　　管理节点对虚拟资源的管理可以分为两个部分：一是信息的获取和抽象，管理节点获取来自底层节点或用户的各种测量信息、来自上层与业务相关的负荷和QoS信息，以及来自周围管理节点的策略信息等，将这些信息进行抽象，提取有用信息，建立相应的信息库；二是资源管理决策，管理节点利用信息库里的各种信息，确定资源如何在各个业务之间进行分配，并可以根据反馈结果进行动态调整和重配置。

　　具体来说，对于无线侧资源管理，需要建立各节点之间的干扰关系库，干扰关系库体现了各节点在时域、频域和空间域等多个维度的干扰关系，在对各个业务进行资源配置时，会尽可能地考虑为业务提供服务的各节点之间的干扰状况，选取没有干扰的时频空域资源进行配置。

　　为了减少管理节点的计算任务，降低调度延时，可以采用集中式和分布式相结合的方式。管理节点根据干扰信息库、业务QoS信息库等对于一段时间内的统计信息，确定各业务可用的无线资源范围和约束，即可用资源和不可用资源，将上述信息发送给控制面节点，控制面节点再根据网络侧和用户侧的实时反馈信息，确定具体的时频资源。

用户移动性管理

　　用户在移动过程中，为其提供服务的节点需要发生改变，以获取持续的优质服务。节点密集部署或用户高速移动时，节点之间的切换将会频繁发生，带来系统信令开销增加、数据中断等问题。为了解决或改善上述问题，3GPP在R12中提出了双连接方案。双连接方案主要针对异构网络中的移动性问题，在双连接方案中，用户同时与MeNB（宏站）和SeNB（微站）保持连接，MeNB作为移动性锚点，在SeNB发生变化时，执行的是SeNB的转换过程而不是切换过程。和切换过程相比，SeNB的转换过程避免了上行同步产生的数据中断以及核心网路径转换产生的延时，但切换判决、信令传输、包转发等过程仍会产生延时，影响用户体验。

　　无线虚拟化网络中，以管理节点作为移动性锚点，通过L2/L3信息虚拟化，即用户和业务上下文信息在各节点之间共享和同步的方案，结合底层的小区虚拟化，可以加速数据在不同节点间的转换过程，做到无缝切换，解决密集部署小站场景下的移动性问题。首先，来自核心网的数据汇聚到管理节点，由管理节点转发到底层各节点，降低了核心网路径转换概率和延时；其次，节点在加入虚拟小区时，就已经完成接纳控制、资源预留以及上行同步，避免了原切换过程中这部分操作带来的延时；第三，用户或业务的上下文信息在各节点之间共享和同步，可以随着用户的移动随时快速转换数据面节点，避免了复杂的切换过程；最后，多个节点同时为某一业务提供服务，保证了业务的服务质量，可以解决TCP慢启动等问题。

　　在上述从底层到上层的整体虚拟化方案下，用户即使在移动过程中，也能在不同节点间快速平滑切换，保证了稳定可靠的用户体验。

　　无线网络虚拟化是目前5G研究的热点和重点，通过资源虚拟化和控制虚拟化，可以将传统的静态网络转化成灵活高效的动态网络，和SDN和NFV等技术的结合，更可以降低成本，保证低成本和高可靠性。本文针对无线接入侧网络虚拟化技术，在网络架构、虚拟资源管理以及移动性管理等方面提出了分析和探讨，将无线网络侧虚拟化技术进一步清晰化和具体化，作为后续5G关键技术研究的基础。无线网络侧虚拟化技术还有许多问题需要研究，其实施和部署仍面临着许多挑战，后续我们将在这方面继续深入研究。