5G网络切片架构中用户切换管理的研究

摘要

随着移动互联网技术的飞速发展，终端用户数量急剧增长，业务类型也呈现多样化的发展趋势。传统通信网络由于受物理资源和结构的限制，在系统容量、数据传输速率和传输时延等方面已经无法满足日益增长的用户需求。而下一代无线通信系统（5G）通过引入软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）技术使物理资源虚拟化，网络结构灵活化。系统可以根据用户业务类型将这些虚拟资源进行配置、编排、重组构成不同类型的网络切片（Network Slice，NS）。不同类型的NS能够提供不同的业务服务，用户可以根据业务类型选择接入不同的NS进行服务。这种切片化的网络架构虽弥补了传统通信网络的不足，但在用户移动管理方面仍然存在一些问题。本课题主要针对5G网络切片架构中，用户由于越区切换而导致的网络切片重接入和虚拟切片资源调度问题展开研究。相应地，本课题主要工作体现如下： （1）考虑到关于5G网络方面的知识点十分丰富，经阅读并梳理大量的国内外相关文献后，分析了5G网络与传统网络的区别，进一步地，对5G网络中引入的SDN、NFV和NS三大技术的基本概念、架构和主要应用进行了详细地讨论，为后续研究奠定理论基础。 （2）考虑到越区切换过程较短，若临时调度资源来构建网络切片可能造成切换请求响应延迟。因此，在不改变原有的切片资源分配方式的前提下，提出了一种基于系统吞吐量最大化的切片接入机制。同时，设计了该接入机制在实际网络部署中的具体实施方案。进一步地，采用贪心算法、粒子群算法、遗传算法对该机制进行算法设计和仿真分析；仿真结果表明，使用粒子群算法得到的结果优于其他两种。此外，将该接入机制与接收功率接入方案、负载均衡和随机接入方案进行仿真对比；结果表明，该接入机制的切换成功率和系统吞吐量都明显优于其他三种方案。 （3）考虑到越区切换用户的业务类型多种多样，系统中现有的切片类型无法满足所有用户的业务需求，若根据业务需求临时调度资源来重构网络切片，则可能因用户切换请求响应延迟而影响用户通信的连续性。为减少重构网络切片带来的系统时延，提出了一种基于移动预测的切片资源调度方案，其核心思想是根据移动预测结果来调度系统中现有的切片资源。首先，采用马氏链和在线学习过程相结合的方式对用户移动性进行预测，然后，根据预测结果建立了网络切片资源调度模型，并提出了基于系统资源利用率最大的资源调度方案。最后，将其与基于负载均衡资源调度和随机调度方案仿真对比分析，结果表明，该方案能够保证较高的资源利用率。 对全文工作进行总结，并对后续的研究方向进行展望。

目录

1 绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要内容与结构安排

2 5G网络体系结构

2.1 5G通信网络与传统网络的区别

2.2 软件定义网络技术

2.3 网络功能虚拟化技术

2.4 网络切片技术

2.5 网络切片代理架构

2.6 本章小结

3 网络切片架构下的吞吐量最大化用户接入机制

3.1 切换场景下的用户接入问题

3.2 系统模型

3.3 用户接入机制

3.4 机制实施方案

3.5 算法设计与分析

3.6 仿真结果与讨论

3.7 本章小结

4 基于移动预测的网络切片资源调度

4.1 切换场景下的资源调度问题

4.2 移动预测模型

4.3 切片资源调度方案

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

硕士期间取得的成果