本發明屬于移動通信領域，尤其涉及一種基于sdr和虛擬化技術資源彈性協作映射方法及裝置。

背景技術：

隨著移動負載的爆增及新的應用業務如雨后春筍般的出現，網絡拓撲越來越密集化，網絡節點多樣化(多制式/多空口)，組網形態多樣化。然而，不同的業務類型難以在現有的同一種空口和網絡控制協議下實現高效的業務支撐。從而也導致新的業務類型難以快速部署。同時，多樣化的網絡節點和組網形態不僅給網絡運維帶來沉重負擔、也造成用戶體驗的不一致性，同一平臺也難以高效支撐不同的業務。針對無線接入網絡這些“僵化”問題，一種新的靈活的，彈性的，智能化的,開放的無線接入網絡架構急需出現。

mobilityfirstwiki(mobilityfirstfutureinternetarchitectureproject,http://mobilityfirstwinlab.rutgers.edu/,2010)采用革命式的方式,設計一個全新的方案驗證未來互聯網架構.然而，abiresearch的報告指出2013年全球wi-fi熱點總數達到了420萬個,2014年增長到485萬個,預計到2018年,將增加到1050萬個。顯然，對下一代無線接入網絡采用革命式的變革，其代價是巨大的。

同時,shengzhou與zhishengniu于2013年8月在期刊《ieeewirelesscommunications》發表論文“chorus:aframeworkforscalablecollaborationinheterogeneousnetworkswithcognitivesynergy”認為依靠協作通信從無線接入網絡的演進、融合和創新是更適合未來的架構。協作通信能夠對不同制式的異構網絡資源的管理從而可以提高無線接入網絡的覆蓋性，減少干擾，均衡負載。

然而，協作通信不能夠使各種異構的資源在同一個平臺上使用。軟件定義無線(softwaredefinedradio,sdr)是基于一個相對通用的硬件平臺，通過軟件實現不同的通信功能，并對工作頻率、發射/接收功率、系統帶寬、調制方式、信源編碼等進行編程控制。同時，sdr可以快速改變信道接入方式或調制方式，利用不同軟件即可適應不同標準，構成具有高度靈活性的多模手機和多功能基站，這樣不同通信體制就可以實現互聯互通。

然而，sdr快速變換的前提是采用虛擬化技術在基礎設施上抽象出一個虛擬的軟件或硬件接口(虛擬網絡功能)，使得上層軟件可以直接運行在虛擬環境上。通過空間上的分割、時間上的分時以及模擬，網絡虛擬化將一份資源抽象成多份，亦可將多份資源抽象成一份，實現資源不受物理限制的約束。

現有的協作通信解決方案,只適用于有限的范圍,他們在異構網絡中僅僅提供訪問的靈活性，不能夠支持無處不在的開放式的訪問。對于異構網絡融合，用戶最希望選擇為應用“量體裁衣”的服務，甚至每個網絡模塊的功能這樣更細的粒度。實現以上目標還存在以下問題。首先,無線異構網絡接入端不能互通，資源難以跨制式的共享、配置和遷移。第二，應用的邏輯與基礎設施的資源不能定量批配，難以實現資源的彈性協作。最后，以低廉的代價，實現無線接入網絡智能化。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是提供在無線接入網絡中一種基于sdr和虛擬化技術資源彈性協作映射方法及裝置。

本發明的目的之一是通過以下技術方案來實現的，一種基于sdr和虛擬化技術資源彈性協作映射方法，包括以下步驟：

s1采用虛擬化技術及sdr技術對無線接入網絡基礎設施進行抽象和切片，將異構資源屏蔽底層信息統一表達為虛擬化的網絡功能；

s2構建應用定量分析決策樹，實現應用與虛擬化網絡功能邏輯映射；

s3采用物理映射的方式對各物理節點資源進行配制，實現基礎設施最大化利用。

進一步，所述步驟s1包括以下子步驟：

s11在rf前端通過控制平臺指定一段動態頻段給收、發天線實現虛擬基帶抽象；

s12通過載波聚合技術及修改天線的相關參數進行虛擬功率抽象；

s13對計算、存儲、通信資源虛擬抽象成各種數字信號處理協議。

進一步，所述步驟s2包括以下子步驟：

s21考慮線性回歸模型，以平方誤差為損失函數，進行降維處理；

s22對各個屬性按相似程度劃分類別，使得同一類中的元素之間的相似性比其他類的元素的相似性更強；

s23用信息熵來描述屬性的純度，并決定屬性優先級，當屬性優先級最高，則屬性為定量分析決策樹的根結點。

進一步，所述步驟s3包括以下子步驟：

s31首先根據虛擬化資源映射特點劃分虛擬小區；

s32再通過基站映射和無線鏈路映射的不斷交迭更新，在保證用戶qos要求的前提下，找出最少的工作基站為用戶提供服務，休眠其余基站，從而達到節能的目的。

進一步，所述步驟2還包括構建虛擬網絡功能編排，所述虛擬網絡功能編排包括以下子步驟：

s211根據實際網絡組網需求，首先使用虛擬的網絡功能作為編排的基本元素；

s222從這些虛擬的網絡功能中選擇滿足要求的組件組成網絡服務單元，同時這些被選擇的組件所組建的網絡服務單元成本是最低的；

s333將步驟s222所述的網絡服務單元按照一定的排列方式進行組合、編排、連接，形成一條無線接入網絡服務管道，編排后得到能滿足自動化部署要求的網絡服務需要具有快速部署、動態調整、重復使用的能力。

本發明的目的之二是通過以下技術方案來實現的，一種基于sdr和虛擬化技術資源彈性協作映射裝置，包括基礎設施虛擬化模塊、邏輯映射模塊和物理映射模塊，所述基礎設施虛擬化模塊采用虛擬化技術及sdr技術對無線接入網絡基礎設施進行抽象和切片，將異構資源屏蔽底層信息統一表達為虛擬化的網絡功能；所述邏輯映射模塊構建應用定量分析決策樹和構建虛擬網絡功能編排，實現應用與虛擬化網絡功能邏輯映射；所述物理映射模塊采用物理映射的方式對各物理節點資源進行配制，實現基礎設施最大化利用。

有益技術效果：

本發明在無線異構接入網絡中提出了虛擬化資源多目標映射方法，通過機器學習算法動態調整無線異構接入網絡虛擬資源多目標映射數學模型中各目標函數的權值，從而實現多用戶的價值均衡，達到多目標共贏。

附圖說明

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中：

圖1為本發明的一種基于sdr和虛擬化技術資源彈性協作映射架構方法的原理框圖；

圖2為無線接入網絡映射框架原理圖；

圖3為fdd-lte基站與tdd-lte基站使用本發明資源彈性協作效果圖；圖3a是使用本方法與傳統方法所需要消耗的上行資源量的對比；圖3b是使用本方法與傳統方法所需要消耗的下行資源量的對比；圖3c是使用本方法與傳統方法所需要消耗的上下行資源總量的對比；圖3d是使用本方法與傳統方法所需要消耗的時延上的對比；圖3e是使用本方法與傳統方法所需要消耗的代價上的對比；

圖4當網絡拓撲結構發生動態變化時，使用本發明的效果圖；圖4a是指在節點’a’突然失效的情況下，節點’a’負載分流情況；圖4b是指非忙時休眠部分節點；圖4c,4d,4e是指rscmf架構在不同的負載下實現各用戶目標的均衡。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。

本發明旨在解決未來業務無線接入系統的問題，應用的場景是應用業務及底層的基礎設施都是開放的情況下，且基礎設施能夠使用虛擬化軟件進行功能虛擬化的條件下進行的。為了保證應用及物理層的基礎設施都有各自的獨立性及開放性，本發明提出了一種基于sdr和虛擬化技術資源彈性協作映射架構方法(rscmf)，如圖1所示。當應用的邏輯發生改變時，物理層的異構無線接入網絡結構不一定改變。同時，當無線接入網絡基礎設施發生改變時，應用的邏輯也不一定發生改變。

本發明提出的一種基于sdr和虛擬化技術資源彈性協作映射架構方法包括以下步驟：

首先，采用虛擬化技術及sdr技術對無線接入網絡基礎設施進行抽象和切片，將各種各樣的異構資源屏蔽底層信息，統一表達為虛擬化的網絡功能。接著，構建應用定量分析決策樹，實現應用與虛擬化網絡功能邏輯映射。同時，本發明提出了虛擬化功能編排方式，目的是為了采用低廉的成本，實現應用功能的“量體裁衣”。最后，采用物理映射的方式對各物理節點資源進行配制，實現基礎設施最大化利用。

整個架構分為基礎設施虛擬化、邏輯映射、物理映射三個過程，如圖1所示。

基礎設施虛擬化：

基礎設施虛擬化是云計算結構中的“i”層，它將硬件相關的cpu，內存，硬盤，網絡資源，收發功率資源，無線頻譜資源等全面虛擬化。同時，收集相關的硬件資源狀態，負責對物理硬件資源進行統一的管理、監控，實現虛擬的網絡功能不依賴于任何硬件平臺，如圖1中的infrastructure部分所示。每個功能模塊會產生一個agent，具有獨立的控制部分，又有公共管控部分。

為了實現功能模塊硬件或者軟件或者協議的靈活性，本發明在物理層協議與硬件前端之間在建立了一個軟件抽象層。在無線代理接口控制平臺上通過編程實現這一層帶特殊屬性的功能模塊。

1)在rf前端通過控制平臺指定一段動態頻段給收、發天線實現虛擬基帶抽象。

2)通過載波聚合技術及修改天線的相關參數進行虛擬功率抽象。

3)對計算、存儲、通信等資源虛擬抽象成各種數字信號處理協議。

為了網絡軟硬件資源的共享與網絡隔離，本發明設計了應用的虛擬服務(virtualservice,vs)。vs是虛擬基站和終端之間帶有特殊服務質量的參數集合，包括上行鏈路和下行鏈路，一個終端的端到端連接映射為此終端的一個或多個服務流。為保障隔離性、定制化需求與資源利用率，采用覆蓋與承載分離技術。為控制功能rrh配置高發射功率實現大范圍覆蓋，為數據功能配置低發射功率實現更高頻率復用，終端利用雙/多連接架構連接控制與數據rrh，通過靈活部署控制與數據功能實現覆蓋與數據解耦。各種vs之間可共享平臺上定義的vnf，根據不同場景與業務需求按需靈活制定應用所需的vnf。

邏輯映射：

邏輯映射是把現實世界中應用的信息按照不同用戶的觀點抽象為多個邏輯數據結構。每個邏輯數據結構為一個用戶視圖，描述了每個用戶所關心的功能。當應用發生改變時，不需要更改vnf及底層的物理資源，只需要更改應用與vnf之間的映射就能確保應用的正確執行，如圖1中的vnfandlogicmapping部分所示。邏輯映射為新應用的快速部署及資源應用的“量體裁衣”提供了前提。邏輯映射主要是由業務定量分析決策樹和虛擬網絡功能編排來實現的。

為了支持應用的“量體裁衣”，本發明設計了應用定量分析決策樹。

1)為了避免屬性數量過多而出現維數災難及降低任務的難度，考慮線性回歸模型，以平方誤差為損失函數，進行降維處理。

2)再對各個屬性按相似程度劃分類別，使得同一類中的元素之間的相似性比其他類的元素的相似性更強。目的在于使類間元素的同質性最大化和類與類間元素的異質性最大化。其主要依據是聚到同一個數據集中的樣本應該彼此相似，而屬于不同組的樣本應該足夠不相似。

3)接著，用信息熵來描述屬性的純度，并決定屬性優先級。當屬性優先級最高，則屬性為定量分析決策樹的根結點。類似的，對每個分支結點進行上述操作，最終得到應用定量分析決策樹。

為了新應用的快速部署，本發明設計了一種虛擬功能編排方法。

1)根據實際網絡組網需求，首先使用虛擬的網絡功能作為編排的基本元素。

2)再從這些虛擬化網絡功能中選擇滿足要求的組件，同時這些被選擇的組件所組建的虛擬服務成本是最低的。

3)接著將這些網絡服務單元按照一定的排列方式進行組合、編排、連接，形成一條無線接入網絡服務管道。編排后得到能滿足自動化部署要求的網絡服務需要具有快速部署、動態調整、重復使用的能力。

物理映射：

物理映射是把相應的資源分配到物理設備的過程。它包括了設備的功能，各功能的物理順序，各功能物理設備間的聯系，各物理設備的組成，各功能的鏈接技術等，目的是為了基礎設施的開放性。只需要更改物理映射，就能適應基礎設施動態變化。

為了支撐綠色節能，本發明提出了一種資源聯合協作映射方法去改善當前基站的資源在非忙時利用率不足及能量浪費。

1)首先根據虛擬化資源映射特點劃分虛擬小區。

2)再通過基站映射和無線鏈路映射的不斷交迭更新，在保證用戶qos要求的前提下，找出最少的工作基站為用戶提供服務，休眠其余基站，從而達到節能的目的。

為了多用戶共贏，本發明在無線異構接入網絡中提出了虛擬化資源多目標映射方法。這個方法通過機器學習算法動態調整無線異構接入網絡虛擬資源多目標映射數學模型中各目標函數的權值，從而實現多用戶的價值均衡，達到多目標共贏。

實施例一

以lte的tdd和fdd兩種不同的雙工模式通過資源映射進行無線通信資源彈性協作的研究，如圖3所示。在現實網絡中，tdd-lte的時隙配比一般固定位ul:dl＝1:3，fdd-lte分配上下行對稱的頻段，使得前者更加適合傳輸非對稱型業務，后者更加適合傳輸對稱型業務。但是，在現實網絡中，業務分布是不定均勻，且上下行需求也不一定相同，如語音應用，視頻流應用，ftp應用等等。這樣，不管對tdd還是fdd來說，單獨使用某個網絡都會產生“偽擁塞”現象，即：網絡資源在一個方向上負載很重；而在相反方向上負載卻很輕，可用資源還很充足。假設在時間t內，lte-tdd與lte-fdd基站共有prb資源200個。出現的應用有語音，ftp，視頻，文件下載，交互類等，它們出現的概率為0.3，0.04，0.31，0.15，0.2.它們的上、下行之比為1:1，9:1，1:5，1:8，1:2。

針對上述問題，rscmf在lte的tdd和fdd共同覆蓋的區域通過資源的映射實現頻譜資源利用率最大化。

首先，基礎設施虛擬化

step1:在rf前端通過控制平臺能夠指定一段動態頻段給收、發天線實現虛擬基帶抽象。

step2:通過載波聚合技術及修改天線的相關參數進行虛擬功率抽象。

step3:對計算、存儲、通信等資源虛擬抽象成各種數字信號處理協議。

接著，對應用進行邏輯映射，建立相應的虛擬服務vs。

step1:為了避免屬性數量過多而出現維數災難及降低任務的難度，考慮線性回歸模型，以平方誤差為損失函數，進行降維處理。主要通過分析語音，ftp，視頻，文件下載，交互類等應用的，選擇上、下行的寬度，數字信號協議等屬性。

step2:再對各個屬性按相似程度劃分類別，使得同一類中的元素之間的相似性比其他類的元素的相似性更強。目的在于使類間元素的同質性最大化和類與類間元素的異質性最大化。其主要依據是聚到同一個數據集中的樣本應該彼此相似，而屬于不同組的樣本應該足夠不相似。

step3:接著，用信息熵來描述屬性的純度，并決定屬性優先級。當屬性優先級最高，則屬性為定量分析決策樹的根結點。類似的，對每個分支結點進行上述操作，最終得到應用定量分析決策樹。

step4:根據實際網絡組網需求，使用虛擬的網絡功能作為編排的基本元素，設定基站上行與下行prb資源數量。

step5:再從這些虛擬化網絡功能中選擇滿足要求的組件，同時這些被選擇的組件所組建的虛擬服務成本是最低的。

step6:接著將這些網絡服務單元按照一定的排列方式進行組合、編排、連接，形成一條無線接入網絡服務管道。編排后得到能滿足自動化部署要求的網絡服務需要具有快速部署、動態調整、重復使用的能力。

最后，通過物理映射實現tdd，fdd節點上、下行鏈路進行協作通信。

圖3中fdd，tdd是指單獨使用lte-fdd或者lte-tdd策略進行資源分配。ftdd是指根據應用的資源上、下行比例自動選擇最優的方式進行資源分配。rscmf是指本發明所提的框架進行資源映射的情況。從圖3的a，b子圖中可以看出，fdd會出現上行的“偽擁塞”現象，tdd會出現下行的“偽擁塞”現象。ftdd雖然會改善這種情況，但總體資源的利用率也只有70％左右。rscmf架構則可以把資源的利用率達到95％以上。同時從圖3中的d、e子圖可以看出，ftdd策略在應用丟失及資源分配代價上優fdd及tdd，但是次于rscmf架構。

實施例二

由于當前網絡為高峰負荷而設計，導致基站的資源利用率不足及能量浪費。針對超密集的環境下，在非忙時休眠部分節點及網絡拓撲結構發生動態變化時，本發明研究rscmf架構的性能，如圖4所示。

首先，基礎設施虛擬化

step1:在rf前端通過控制平臺能夠指定一段動態頻段給收、發天線實現虛擬基帶抽象。

step2:通過載波聚合技術及修改天線的相關參數進行虛擬功率抽象。

step3:對計算、存儲、通信等資源虛擬抽象成各種數字信號處理協議。

接著，對應用進行邏輯映射，建立相應的虛擬服務vs。

step1:為了避免屬性數量過多而出現維數災難及降低任務的難度，考慮線性回歸模型，以平方誤差為損失函數，進行降維處理。

step2:再對各個屬性按相似程度劃分類別，使得同一類中的元素之間的相似性比其他類的元素的相似性更強。目的在于使類間元素的同質性最大化和類與類間元素的異質性最大化。其主要依據是聚到同一個數據集中的樣本應該彼此相似，而屬于不同組的樣本應該足夠不相似。

step3:接著，用信息熵來描述屬性的純度，并決定屬性優先級。當屬性優先級最高，則屬性為定量分析決策樹的根結點。類似的，對每個分支結點進行上述操作，最終得到應用定量分析決策樹。

step4:根據實際網絡組網需求，使用虛擬的網絡功能作為編排的基本元素。

step5:再從這些虛擬化網絡功能中選擇滿足要求的組件，同時這些被選擇的組件所組建的虛擬服務成本是最低的。

step6:接著將這些網絡服務單元按照一定的排列方式進行組合、編排、連接，形成一條無線接入網絡服務管道。編排后得到能滿足自動化部署要求的網絡服務需要具有快速部署、動態調整、重復使用的能力。

最后，通過物理映射

step1:首先根據虛擬化資源映射特點劃分虛擬小區。

step2:再通過基站映射和無線鏈路映射的不斷交迭更新，在保證用戶qos要求的前提下，找出最少的工作基站為用戶提供服務，休眠其余基站，從而達到節能的目的。

step3:最后通過機器學習算法動態調整無線異構接入網絡虛擬資源多目標映射數學模型中各目標函數的權值，從而實現多用戶的價值均衡，達到多目標共贏。

圖4a是指在節點’a’突然失效的情況下，節點’a’負載分流情況。圖4b是指非忙時休眠部分節點，在滿足用戶qos的情況下，實現系統節能。圖4c,d,e是指rscmf架構在不同的負載下實現各用戶目標的均衡。

當節點’a’突然失效時，系統自動檢測能夠覆蓋節點‘a’區域的活躍節點’b’，‘c’，‘d’，‘e’的負載。如果活躍節點’b’，‘c’，‘d’，‘e’中任意一個或者多個能夠承擔節點‘a’的負載，則把節點’a’的負載分流到相應的節點。如不能活躍節點不能承擔節點‘a’的負載，則喚醒離節點‘a’最近，且與活躍節點能夠共同覆蓋節點‘a’區域的節點進行負載分流。從圖4a中可以看出活躍節點’b’，‘c’，‘d’，‘e’完全能夠承擔節點’a’的負載，說明rscmf架構在不影響服務的情況下能夠適應低層拓撲結構的動態變化。

rscmf架構根據網絡拓撲變化和邏輯映射的資源請求量，動態劃分虛擬小區。其后，通過活躍基站映射和資源分配映射的不斷交迭更新，在保證用戶qos要求的前提下，讓最少的活躍基站為用戶提供服務，休眠網絡中其余基站，從而達到節能的目的。從圖4中可以發現，rscmf架構與單個節點休眠策略(ss)比較，在非忙時能夠節約更多的能量。

本發明除了上述基于sdr和虛擬化技術資源彈性協作映射方法外，還提供一種裝置，該裝置，包括基礎設施虛擬化模塊、邏輯映射模塊和物理映射模塊，所述基礎設施虛擬化模塊采用虛擬化技術及sdr技術對無線接入網絡基礎設施進行抽象和切片，將異構資源屏蔽底層信息統一表達為虛擬化的網絡功能；所述邏輯映射模塊構建應用定量分析決策樹和構建虛擬網絡功能編排，實現應用與虛擬化網絡功能邏輯映射；所述物理映射模塊采用物理映射的方式對各物理節點資源進行配制，實現基礎設施最大化利用。

以上所述僅為本發明的優選實施例，并不用于限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。