基于多层复杂网络理论的网络切片协作管理研究

论文摘要

随着自动驾驶、能源互联网、智慧城市等多种垂直产业服务的发展,移动通信网络需要在为用户提供泛在化高速率接入的同时使用有限的网络资源提供差异化定制化的服务。针对上述需求,网络切片的概念被提出,其本质是依据服务需求将基础设施网络切分成多个相互独立且彼此隔离的逻辑网络。为了加快差异化服务的部署周期,需要对网络切片进行端到端的管理、部署、编排,实现全面覆盖接入网、传输网、核心网域的资源管控。同时,为了支持垂直产业参与者等多类型租户定制化网络切片的需求,网络运营商通过多个基础设施网络间协作及资源共享的方式扩充网络容量,进而降低部署运营成本并且提升投资收益。因此,以满足差异化定制化服务需求为主旨实现端到端切片管理及基础设施网络间协作成为一个亟需解决的问题。为了提供给用户差异化定制化的端到端服务,提升基础设施网络的资源使用效率,支持多租户新型商业模式,本论文将基于多层复杂网络理论解决基础设施网络协作场景下的端到端切片部署管理问题。首先设计新型的网络切片协作管理架构,然后进行切片需求导向的基础设施网络间协作性能分析,最后依据所创建的架构及分析结果提出端到端切片的服务化部署策略及弹性资源管理策略,旨在实现定制化业务需求驱动的新型网络切片协作管理模式。本文的主要研究工作及创新性成果如下:1,基于多层复杂网络理论的网络切片协作管理架构创建现有的网络切片管理架构为核心网切片的实例化流程及生命周期管理提供了解决方案,能够实现核心网切片部署、管理及编排。然而现有架构很少能支持切片的端到端管理,提供多个基础设施网络间的协作策略,实现端到端切片的跨域部署。这需要获取基础设施网络的拓扑结构,并且从全局的角度以简单明了的方式描述切片部署信息。针对此问题,本文设计了一种新型网络切片协作管理架构,将联合物理网络及部署于其上的多个端到端切片网络建模成一个多层复杂网络,且联合物理网络由运营商提供的多个基础设施网络协作形成。基于多层复杂网络理论捕捉联合物理网络拓扑及切片部署信息,相较于传统架构,网络拓扑、部署位置及资源分配更加清晰透明,有助于实现最优化协作、快速部署和高效管理。2,服务需求导向的多个基础设施网络间协作策略分析多租户切片场景中,现有的协作策略缺乏对基础设施网络结构特性的考虑,协作后的联合物理网络无法适配切片对应的服务需求。针对该问题,本文提出切片服务需求导向的协作策略,并分析基础设施网络结构特性对协作结果的影响。以时延敏感型切片为例,该类型切片的需求为降低传输时延,协作后的联合物理网络需要支持较快的数据包传输。因此,本文采用四个典型的复杂网络模型模拟具有不同结构特性的基础设施网络,依据切片需求进行协作点的选择及协作位置的优化。本文使用复杂网络结构特征度量指标获取四个基础设施网络的结构特性,并分析不同的结构特性对上述两个过程的影响。最后,对基于所提策略形成的联合物理网络进行仿真验证,结果表明协作策略能够适应时延敏感型切片的需求。3,保障端到端网络切片差异化服务需求的跨域部署策略网络切片的部署问题包括构成切片的虚拟网络功能即虚拟节点的映射,以及虚拟网络功能间连接即虚拟链路的映射。现有的部署算法无法实现端到端切片的跨域部署,不能同时满足多种切片类型对不同域资源的差异化需求。本文针对三种典型切片的需求,提出与需求匹配的专属部署优化目标和部署算法。并结合复杂网络结构特征度量指标定义物理节点重要度指标,基于该指标实现三种类型切片的快速跨域部署。虚拟节点的部署采用广度优先搜索算法结合节点重要度完成映射,虚拟链路的部署依据K最短路径算法完成映射。考虑到三种类型切片对接入网、传输网、核心网域的网络资源、存储资源、计算资源等资源的需求不同,仿真结果显示所提部署算法能够在满足切片需求的同时优化切片部署中的资源使用。4,保障端到端网络切片流量传输性能的弹性资源管理策略针对端到端网络切片间资源竞争引起的流量拥塞问题,本文基于多层复杂网络建立数据包传输模型,并定义性能指标从两个方面对端到端网络切片的流量传输性能进行分析。一方面分析资源分配参数包括整体分配权重和单个节点分配权重对流量传输性能的影响,另一方面分析整体切片数量和各个切片规模对流量传输性能的影响。基于传输性能的分析结果,本文创新性地提出两种优化切片传输性能的弹性资源管理策略。其中,基于局部资源优化的管理策略主要是通过提升少量核心物理节点的资源容量来避免流量拥塞,而基于全局资源协作的管理策略主要是通过提升基础设施网络的规模来实现传输性能提升。仿真结果显示所提的资源管理策略能够使用较低的成本获取较大的性能提升,保障切片服务质量。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 移动网络业务差异化定制化趋势

1.1.2 网络切片概念的兴起

1.1.3 网络切片面临的挑战

1.2 研究现状

1.2.1 基础设施网络间协作研究现状

1.2.2 网络切片管理与部署研究现状

1.2.3 多层复杂网络研究现状

1.3 研究内容及创新点

1.3.1 研究内容

1.3.2 创新点

1.4 论文结构安排

参考文献

第二章基于多层复杂网络的网络切片协作管理架构

2.1 网络切片协作管理需求

2.2 多层复杂网络理论基础

2.3 网络切片协作管理建模

2.3.1 网络切片管理模型

2.3.2 基础设施网络协作模型

2.4 网络切片协作管理框架

2.4.1 网络切片协作管理模式

2.4.2 网络切片协作管理架构

2.5 协作管理架构用例分析

2.6 本章小结

参考文献

第三章基础设施网络间按需协作策略研究

3.1 系统模型与问题建模

3.1.1 基础设施网络间协作问题描述

3.1.2 基础设施网络间按需协作模型

3.2 基础设施网络间按需协作策略

3.2.1 四种典型复杂网络模型

3.2.2 复杂网络结构特征度量指标

3.2.3 单个网络中最优协作点选择

3.2.4 多个网络间协作位置优化

3.3 仿真验证与结果分析

3.3.1 仿真环境设置

3.3.2 协作评估参数

3.3.3 协作结果分析

3.4 本章小结

参考文献

第四章端到端切片的服务化部署策略研究

4.1 问题描述与建模

4.1.1 跨域基础设施网络模型

4.1.2 端到端切片请求模型

4.1.3 端到端切片部署模型

4.2 基于复杂网络理论的端到端切片服务化部署策略

4.2.1 端到端切片部署算法

4.2.2 服务需求导向的部署目标

4.2.3 差异化跨域部署策略

4.3 仿真验证与结果分析

4.3.1 仿真环境设置

4.3.2 资源使用效率

4.3.3 切片部署成功率

4.3.4 算法执行时间

4.4 本章小结

参考文献

第五章端到端切片的弹性资源管理策略研究

5.1 问题描述与建模

5.1.1 端到端切片资源分配模型

5.1.2 端到端切片流量传输模型

5.2 基于复杂网络理论的端到端切片流量传输性能分析

5.2.1 端到端切片流量拥塞分析

5.2.2 资源分配参数对传输性能的影响分析

5.2.3 切片数量与规模对传输性能的影响分析

5.3 基于流量传输性能分析的弹性资源管理策略

5.3.1 基于局部资源优化的管理策略

5.3.2 基于全局资源协作的管理策略

5.4 本章小结

参考文献

第六章总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 未来研究展望

参考文献

附录缩略语表

致谢

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 管婉青

导师: 温向明

关键词: 多层复杂网络理论,端到端网络切片,协作策略,部署策略,资源管理

来源: 北京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 数学,电信技术

单位: 北京邮电大学

分类号: TN929.5;O157.5

总页数: 133

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